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JP6120309B2 - 排ガス浄化用触媒 - Google Patents
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JP6120309B2 - 排ガス浄化用触媒 - Google Patents

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Description

本発明は、排ガス浄化用触媒に関する。特に、本発明は、優れた触媒性能を維持することができる排ガス浄化用触媒に関する。
ガソリンエンジンから生じる排ガスを浄化するための触媒としては、窒素酸化物(以下、「NOx」とも称する)、一酸化炭素(以下、「CO」とも称する)、および炭化水素(以下、「HC」とも称する)を同時に除去する三元触媒が提案されている。すなわち、COおよびHCをCOに酸化し、また、NOxをNに還元する機能を併せ持つ触媒である。これらの触媒は、排ガスが酸素過剰状態(酸化雰囲気)のときに触媒自体が酸素を蓄積し、また、排ガスが酸素不足の状態(還元雰囲気)のときに蓄積していた酸素を放出する、酸素貯蔵能(Oxygen Storage Capacity;以下、「OSC」とも称する)を有するものが多い。このようなOSCを有する助触媒成分を酸素貯蔵材(以下、「OSC材」とも称する)といい、これにより、酸素不足状態であってもCOおよびHCを効率的にCOに酸化することができる。OSC材としては、酸化セリウム(CeO)やセリア−ジルコニア複合酸化物(CeO−ZrO複合酸化物)が知られている。酸化セリウムおよびセリア−ジルコニア複合酸化物中のセリウム(Ce)の酸化還元反応により、酸素の吸放出が起こり、これらはOSC性能が優れていることが知られている。
セリア−ジルコニア複合酸化物(CeO−ZrO複合酸化物)には、パイロクロア構造を有するセリア−ジルコニア複合酸化物(A)(以下、単に「セリア−ジルコニア複合酸化物(A)」とも称する)と、立方晶(蛍石型)構造を有するセリア−ジルコニア複合酸化物(B)(以下、単に「セリア−ジルコニア複合酸化物(B)」とも称する)、単斜晶構造を有するセリア−ジルコニア複合酸化物(C)、正方晶構造を有するセリア−ジルコニア複合酸化物(D)などがある。これらのうち、セリア−ジルコニア複合酸化物(A)は、そのパイロクロア構造により、多くの酸素を吸放出できる能力がある(特許文献1)。一方、セリア−ジルコニア複合酸化物(B)は、その立方晶(蛍石型)構造により、パイロクロア構造を有するセリア−ジルコニア複合酸化物(A)に比べると、酸素をすばやく吸放出できるという特性を有する。
特開2005−231951号公報
しかしながら、セリア−ジルコニア複合酸化物(A)を用いても、酸素吸放出速度、特に放出速度が遅いために、雰囲気変動の激しい排ガス条件下では、浄化性能が低い。また、セリア−ジルコニア複合酸化物(B)を用いても、酸素吸放出量が少ないために、同様に雰囲気変動の激しい排ガス条件下では、十分な浄化性能を得ることはできない。加えて、ただ単にセリア−ジルコニア複合酸化物(A)とセリア−ジルコニア複合酸化物(B)を混合して用いるだけでは、両者のメリットは現れなかった。
したがって、本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、触媒性能および酸素貯蔵能(OSC)に優れる排ガス浄化用触媒を提供することを目的とする。
本発明の他の目的は、高温の排ガスに曝された後であっても触媒性能および酸素吸放出特性に優れる排ガス浄化用触媒を提供することである。
本発明者らは、上記の問題を解決すべく、鋭意研究を行った結果、OSC材としてパイロクロア構造と立方晶(蛍石型)構造を複合化させたセリア−ジルコニア複合酸化物を使用することによって、優れた触媒性能および酸素貯蔵能(OSC)を有する触媒が得られることを見出し、本発明を完成させた。
すなわち、本発明は、パイロクロア構造を有するセリア−ジルコニア複合酸化物(A)と、立方晶構造を有するセリア−ジルコニア複合酸化物(B)と、を含む排ガス浄化用触媒であって、前記セリア−ジルコニア複合酸化物(B)は前記セリア−ジルコニア複合酸化物(A)の少なくとも一部を複合化することを特徴とする、排ガス浄化用触媒を提供する。
本発明の排ガス浄化用触媒は、触媒性能および酸素貯蔵特性(OSC)に優れる。
本発明に係る触媒の概略図である。
本発明の排ガス浄化用触媒(以下、単に「本発明の触媒」とも称する)は、パイロクロア構造を有するセリア−ジルコニア複合酸化物(A)(以下、単に「セリア−ジルコニア複合酸化物(A)」とも称する)と、前記セリア−ジルコニア複合酸化物(A)の少なくとも一部を複合化する、立方晶(蛍石型)構造を有するセリア−ジルコニア複合酸化物(B)(以下、単に「セリア−ジルコニア複合酸化物(B)」とも称する)と、を含む。本明細書において、「複合化」とは、セリア−ジルコニア複合酸化物(A)とセリア−ジルコニア複合酸化物(B)と、セリア−ジルコニア複合酸化物(A)及びセリア−ジルコニア複合酸化物(B)に含まれる以外の元素と、が混合されたときに、セリア−ジルコニア複合酸化物(A)及びセリア−ジルコニア複合酸化物(B)の接触面において、セリア−ジルコニア複合酸化物(A)またはセリア−ジルコニア複合酸化物(B)に含まれる元素以外の元素が存在せずにセリア−ジルコニア複合酸化物(A)とセリア−ジルコニア複合酸化物(B)とが接触している状態を指す。
セリア−ジルコニア複合酸化物(A)の少なくとも一部をセリア−ジルコニア複合酸化物(B)が複合化する構造をとることによって、優れた酸素貯蔵特性(即ち、優れた酸素貯蔵能および高い酸素吸放出速度)が達成できる。ゆえに、本発明の触媒は優れた触媒性能を発揮することができる。
ここで、上記効果が達成できる理由は不明であるが、以下のように推察できる。なお、本発明は、下記推察によって限定されるものではない。すなわち、セリア−ジルコニア複合酸化物(A)は、そのパイロクロア構造により、多くの酸素を吸放出できる能力はあるものの、酸素の吸放出速度、特に放出速度が遅いという特性を有する。一方、セリア−ジルコニア複合酸化物(B)は、その立方晶(蛍石型)構造により、酸素をすばやく吸放出できるものの、パイロクロア構造を有するセリア−ジルコニア複合酸化物(A)に比べると酸素の吸放出量が少ないという特性を有する。
このため、本発明に係る触媒が酸素を吸収する際には、まず、セリア−ジルコニア複合酸化物(B)は、その立方晶(蛍石型)構造により、酸素をすばやく吸収する。この時、セリア−ジルコニア複合酸化物(B)はCe3+→Ce4+となり、Ce3+として存在しているセリア−ジルコニア複合酸化物(A)とセリア−ジルコニア複合酸化物(B)の間で酸素の濃度勾配が生じる。セリア−ジルコニア複合酸化物(B)はセリア−ジルコニア複合酸化物(A)と複合化されているため、吸収された酸素はセリア−ジルコニア複合酸化物(B)に接触して存在するパイロクロア構造を持つセリア−ジルコニア複合酸化物(A)に移動し吸収される。この際、セリア−ジルコニア複合酸化物(A)は、そのパイロクロア構造により、多くの酸素を貯蔵できる。ゆえに、本発明の触媒は、セリア−ジルコニア複合酸化物(B)による高い酸素の吸収速度およびセリア−ジルコニア複合酸化物(A)による高い酸素の貯蔵能により、それぞれが単独で存在するよりも、すばやくかつ多量の酸素を吸収・貯蔵することができる。すなわち、本発明の触媒は、優れた酸素貯蔵能(OSC)を発揮するOSC材としても機能できる。逆に、本発明に係る触媒が酸素を放出する際には、まず、セリア−ジルコニア複合酸化物(A)に接触して存在するセリア−ジルコニア複合酸化物(B)が、その立方晶(蛍石型)構造により、酸素をすばやく放出する。この放出に伴い、セリア−ジルコニア複合酸化物(B)はCe4+→Ce3+となり、Ce4+として存在しているセリア−ジルコニア複合酸化物(A)とセリア−ジルコニア複合酸化物(B)の間で酸素の濃度勾配が生じる。セリア−ジルコニア複合酸化物(B)では酸素が欠乏するため、接触して存在するセリア−ジルコニア複合酸化物(A)から酸素を受け取る。この際、セリア−ジルコニア複合酸化物(A)は、そのパイロクロア構造により、優れた酸素貯蔵能を有する(多量に酸素を貯蔵できる)。このゆえに、本発明の触媒は、セリア−ジルコニア複合酸化物(B)による高い酸素の放出速度およびセリア−ジルコニア複合酸化物(A)による高い酸素の貯蔵能により、それぞれが単独で存在するよりも、速い速度でかつ多量の酸素を放出することができる。
したがって、本発明の触媒は、全体として、より多くの酸素をすばやく吸収・放出でき、優れた触媒性能を発揮できる。
本発明の触媒1は、図1に示されるように、パイロクロア構造を有するセリア−ジルコニア複合酸化物(A)2、および当該セリア−ジルコニア複合酸化物(A)2の周囲の少なくとも一部を複合化する立方晶(蛍石型)構造を有するセリア−ジルコニア複合酸化物(B)3を含む。
ここで、セリア−ジルコニア複合酸化物(B)3によるセリア−ジルコニア複合酸化物(A)2の複合化形態は、セリア−ジルコニア複合酸化物(A)2の少なくとも一部がセリア−ジルコニア複合酸化物(B)3と複合化されればよく、好ましくはセリア−ジルコニア複合酸化物(B)3で被覆される。より具体的には、図1Aに示されるように、セリア−ジルコニア複合酸化物(A)2全体がセリア−ジルコニア複合酸化物(B)3で複合化される構造、または図1Bや図1Cに示されるように、セリア−ジルコニア複合酸化物(A)2が部分的にセリア−ジルコニア複合酸化物(B)3で複合化される構造であってもよい。また、セリア−ジルコニア複合酸化物(B)によるセリア−ジルコニア複合酸化物(A)の複合化割合は、所望の酸素の吸放出能を達成できれば特に制限されないが、セリア−ジルコニア複合酸化物(A)の表面積に対して、50〜100%が好ましく、75〜100%がより好ましく、図1Aに示されるように、セリア−ジルコニア複合酸化物(A)2全体がセリア−ジルコニア複合酸化物(B)3で複合化される(即ち、複合化割合=100%)構造が特に好ましい。これにより、セリア−ジルコニア複合酸化物(B)3が酸素をすばやくかつ効率よく吸収し、ここで吸収された酸素は中心部に存在するセリア−ジルコニア複合酸化物(A)2にすばやく移動する。このため、本発明の触媒は、多量の酸素をすばやく吸収できる。同様にして、セリア−ジルコニア複合酸化物(B)3から酸素が放出される場合には、この放出に伴って、中心部のセリア−ジルコニア複合酸化物(A)2から多量の酸素がセリア−ジルコニア複合酸化物(B)3に移動し、その酸素はセリア−ジルコニア複合酸化物(B)3から速やかに放出される。その結果、本発明の触媒は、多量の酸素をすばやく放出できる。
本発明の触媒は、セリア−ジルコニア複合酸化物(A)を含む。ここで、セリア−ジルコニア複合酸化物(A)は、その結晶構造中にパイロクロア相を有するものであれば特に制限されず、例えば、国際公開第2008/093471号に記載されるものが同様にして使用できる。ここで、「パイロクロア構造」は、CeZrという化学式で表され、Ce,Zrが正四面体のネットワークを形成し、還元雰囲気で存在しやすい構造である。酸化雰囲気では、CeZrOで表される別の構造となり、両者は可逆的に変化する。
内燃機関から排出される排気ガスは、稼動状況の変化により酸素濃度が変化する。そのため、排気ガス浄化触媒に使用されるセリア−ジルコニア複合酸化物中のセリウム(Ce)イオンは、Ce3+とCe4+のように価数に変化を生じる。このことは、セリア−ジルコニア複合酸化物において結晶構造に変化が生じる可能性を示唆している。しかし、多くの場合、セリア−ジルコニア複合酸化物におけるこのような結晶構造の変化は可逆的なものである。この結晶構造の可逆的な変化は、本発明に係るセリア−ジルコニア複合酸化物(A)についても同様であると考えられる。したがって、本発明に用いられるセリア−ジルコニア複合酸化物(A)は、原料として、また触媒組成中で一時的にパイロクロア構造とは異なる結晶構造をとる場合があったとしても、本発明の触媒として使用される環境においてパイロクロア構造を有するものであればよい。
本発明に係るセリア−ジルコニア複合酸化物(A)の使用量は、特に制限されないが、触媒1リットル当り、1〜100gであることが好ましく、3〜50gであることが好ましい。このような使用量であれば、本発明の触媒は、十分量の酸素を吸放出できる。
また、セリア−ジルコニア複合酸化物(A)は、実質的にCe/Zr/Oのみから構成されるCeZrに加えて、Ce,Zrを必須構成元素として含む限り、その構成元素の一部を希土類金属(希土類元素)、遷移金属、アルカリ金属、またはアルカリ土類金属等に置換されてもよい。ここで、希土類金属としては、特に制限されないが、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、ランタン(La)、プラセオジム(Pr)、およびネオジム(Nd)などが挙げられる。なお、上記「希土類金属」は、セリウムを含まない。また、遷移金属としては、特に制限されないが、コバルト(Co)およびニッケル(Ni)などが挙げられる。アルカリ金属としては、特に制限されないが、ナトリウム(Na)、カリウム(K)、ルビジウム(Rb)、セシウム(Cs)などが挙げられる。アルカリ土類金属としては、特に制限されないが、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)およびバリウム(Ba)などが挙げられる。または、マグネシウム(Mg)、アンチモン、ハフニウム、タンタル、レニウム、ビスマス、サマリウム、ガドリニウム、ホルミウム、ツリウム、イッテルビウム、ゲルマニウム、セレン、カドミウム、インジウム、スカンジウム、チタン、ニオブ、クロム、鉄、銀、ロジウム、白金等の、金属成分で、セリア−ジルコニア複合酸化物(A)の構成成分の一部が置換されてもよい。これらのうちの1種を単独で、または2種以上を組み合わせて使用することができる。また、上記他の金属は、酸化物の形態でセリア−ジルコニア複合酸化物(A)中に存在してもよい。このうち、OSC材の耐熱性をより向上させる観点から、希土類金属、特にイットリウムおよび/またはランタンを含むことが好ましい。他の金属の使用量は、酸化物換算で、セリア−ジルコニア複合酸化物(A)に対して、0.05〜30重量%であることが好ましく、0.1〜20重量%であることがより好ましい。また、他の金属の使用量は、酸化物換算で、触媒1リットル当り、0.5〜15gであることが好ましく、3〜10gであることが好ましい。
本発明に係るOSC材と、立方晶構造を持つセリア−ジルコニア複合酸化物(B)と、の結晶構造の違いは、OSC材単体であればX線回折法でその違いを明らかにすることができる。本発明に係るOSC材においては、2θ=14.5°付近にパイロクロア構造に由来するピークが検出される。また、本発明に係るOSC材が触媒組成物中に配合されている場合には、TEM(Transmission Electron Microscope)による回折パターンとEDX(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)によって、その配合の有無を特定することができる。結晶性の試料にTEMで電子線を照射すると、電子線が試料中で反転/回折を受け、後方散乱し、結晶構造特有の回折像が形成される。ゆえに、構造の異なるセリア−ジルコニア複合酸化物(A)とセリア−ジルコニア複合酸化物(B)は異なる回折像を形成する。また、EDXでは、電子線ビームで物体を走査した際に発生する特性X線を検出し、X線から得られるエネルギーの分布から物体の構成物質を調べることができる。本発明に係るOSC材が配合されている場合には、セリア−ジルコニア複合酸化物(A)とセリア−ジルコニア複合酸化物(B)の界面に、セリア−ジルコニア複合酸化物(A)、セリア−ジルコニア複合酸化物(B)由来以外の元素が存在しないことが確認される。
セリア−ジルコニア複合酸化物(A)等中に含まれるセリウムとジルコニウムとの重量比は、特に制限されないが、酸化物換算で、1:9〜9:1であることが好ましく、2:3〜3:2であることがより好ましい。このような組成であれば、優れた酸素の吸放出能および耐熱性が達成できる。
セリア−ジルコニア複合酸化物(A)の形状などは、吸放出能および耐熱性等の所望の特性が得られるものであれば、特に制限はない。セリア−ジルコニア複合酸化物(A)の形状としては、例えば、粒状、微粒子状、粉末状、円筒状、円錐状、角柱状、立方体状、角錐状、不定形などの形状をとることができる。好ましくは、セリア−ジルコニア複合酸化物(A)の形状は、粒状、微粒子状、粉末状である。ここで、形状が粒状、微粒子状、粉末状である際の、セリア−ジルコニア複合酸化物(A)の平均粒子径は、特に制限されない。セリウム−ジルコニウム複合酸化物(A)の平均粒子径は、好ましくは1〜100μm、より好ましくは1〜20μmの範囲である。なお、本明細書において、「平均粒子径」または「粒子径」は、直径を意味する。また、セリウム−ジルコニウム複合酸化物(A)の比表面積は、特に制限されないが、通常、小さい。具体的には、セリウム−ジルコニウム複合酸化物(A)の比表面積は、0.1〜20m/gである。
また、本発明に係るセリア−ジルコニア複合酸化物(A)の製造方法は、特に制限されず、公知の方法が同様にしてあるいは適宜修飾して適用できる。以下に、本発明に係るセリア−ジルコニア複合酸化物(A)の製造方法の好ましい実施形態を記載する。しかし、本発明に係るセリア−ジルコニア複合酸化物(A)の製造方法は下記好ましい形態に限定されるものではない。
すなわち、セリウム、ジルコニウムの各原料を混合して、所定の温度(例えば、2000℃以上)で加熱熔融した後、冷却して、CeO−ZrO複合酸化物のインゴットを作製する。このインゴットを粉砕する。
ここで、セリウム原料は、特に制限されない。具体的には、セリウムの、硝酸塩、炭酸塩、硫酸塩、酢酸塩、塩化物、臭化物、酸化物などが挙げられる。上記セリウム原料は、単独で使用されてもあるいは2種以上の混合物の形態で使用されてもあるいは複合酸化物の形態で使用されてもよい。これらのうち、加熱熔融などを考慮すると、酸化セリウム(セリア)が好ましいが、この酸化セリウムは、硝酸塩、炭酸塩、硫酸塩、酢酸塩、塩化物、臭化物等から得られる酸化物であってもよい。なお、セリウム原料の純度は、特に限定されるものではないが、高純度、特に純度99.9%以上であることが好ましい。
また、上記ジルコニウム原料もまた、特に制限されない。具体的には、ジルコニウムの、硝酸塩、炭酸塩、硫酸塩、酢酸塩、塩化物、臭化物;バデライト、脱珪ジルコニア、酸化ジルコニウム等の、ジルコニウム元素材料などが挙げられる。上記ジルコニウム原料は、単独で使用されてもあるいは2種以上の混合物の形態で使用されてもあるいは複合酸化物の形態で使用されてもよい。これらのうち、加熱熔融などを考慮すると、酸化ジルコニウム(ジルコニア)が好ましいが、この酸化ジルコニウムは、硝酸塩、炭酸塩、硫酸塩、酢酸塩、塩化物、臭化物等から得られた酸化物であってもよい。また、セリウム原料とジルコニウム原料は、これらの原料の混合物、または複合酸化物であってもよい。なお、ジルコニウム原料の純度は、特に限定されるものではないが、高純度、特に純度99.9%以上であることが好ましい。
また、上記セリウム原料およびジルコニウム原料に加えて、他の成分をさらに併用してもよい。ここで、他の成分としては、セリア−ジルコニア複合酸化物(A)の特性(特に、優れた酸素吸放出能)を妨げないものであれば特に制限されない。具体的には、カリウム、ルビジウム、セシウム等の、アルカリ金属;カルシウム、ストロンチウム、バリウム等のアルカリ土類金属、マグネシウム;ハフニウム、レニウム、ビスマス、イットリウム、ランタン(La)、プラセオジム、ネオジウム、サマリウム、ガドリニウム、イッテルビウム、ゲルマニウム、セレン、インジウム、チタン、鉄、銀、ロジウム、白金、パラジウム等の、金属成分などが挙げられる。または、他の成分は、セリウム原料やジルコニウム原料中の不純物に由来して含まれる場合を包含する。また、他の成分を併用する際の、他の成分の使用量は、セリア−ジルコニア複合酸化物(A)の特性(特に、優れた酸素吸放出能)を妨げない限り、特に制限されず、所望の効果を考慮して適宜選択される。
上記セリウム原料およびジルコニウム原料は、所定の割合で混合し、熔融装置に添加されて、加熱熔融される。ここで、セリウム原料およびジルコニウム原料の混合比は、パイロクロア構造を呈するものであれば特に制限されない。セリウム原料およびジルコニウム原料の混合比(酸化物換算の重量比)は、好ましくは1:9〜9:1であり、2:3〜3:2がより好ましい。このような混合比であれば、優れた酸素の吸放出能および耐熱性が達成できる。
上記セリウム原料およびジルコニウム原料ならびに必要であれば他の成分を混合し、得られた混合物を加熱熔融する。この際、熔融方法については、原料混合物の少なくとも一種が熔融する方法であれば特に限定されない。具体的には、電融法(アーク式)、高周波熱プラズマ式等が例示される。これらのうち、電融法、特にアーク式電気炉を用いた熔融方法が好ましく使用される。
アーク式電気炉を用いた熔融方法において、セリウム原料およびジルコニウム原料ならびに必要であれば他の成分の混合物(セリア−ジルコニア複合酸化物(A)の原料混合物)に、導電材(例えば、コークス)を添加してもよい。これにより、初期の通電を促すことができる。ここで、導電材の添加量は、特に制限されず、所望の初期通電を促す量であればよい。導電材の添加量は、セリウム原料とジルコニウム原料の混合割合などを考慮して適宜選択されうる。
また、セリア−ジルコニア複合酸化物(A)の原料混合物の熔融条件は、原料混合物の少なくとも一種が熔融する条件であれば、特に制限されない。例えば、二次電圧は70〜100Vであることが好ましい。平均負荷電力は80〜100kWであることが好ましい。また、セリア−ジルコニア複合酸化物(A)の原料混合物の加熱温度は、特に制限されず、少なくとも一つが熔融する温度であればよい。例えば、酸化セリウムの融点は2200℃であり、酸化ジルコニウムの融点は2720℃であり、原料酸化物の融点は高い。しかし、このような場合であっても、融点降下の影響があるので、酸化物の融点よりも低い熔融(加熱)温度であっても熔融状態を得ることができる場合がある。これら原料には、少量のセリウムまたはジルコニウムの硝酸塩、炭酸塩、硫酸塩、塩化物、臭化物が配合されてもよい。これにより、製造工程で熔融が促進されうる。上記点を考慮すると、セリア−ジルコニア複合酸化物(A)の原料混合物の加熱温度は、2000℃以上が好ましく、2200℃以上がより好ましく、2400℃以上がさらにより好ましく、2600℃以上が特に好ましい。また、原料混合物の加熱温度の上限は、下記に限定されるものではないが、3000℃以下が好ましく、2800℃以下がより好ましい。なお、融点を下げるために、微量のフラックスなどを配合してもよい。これら元素材料を混合したときの、原料混合物の融点は、セリア/ジルコニアのモル比により異なり、具体的には、CeO/ZrO(モル比)=1/9の場合は約2600℃、モル比が5/5の場合は約2200℃、モル比が9/1の場合は約2000℃である。
また、セリア−ジルコニア複合酸化物(A)の原料混合物の加熱時間は、好ましくは0.5〜3時間である。原料混合物が熔融状態となってから、0.5時間以上保持することにより、均一に熔融させることができる。なお、セリア−ジルコニア複合酸化物(A)の原料混合物を所定時間熔融した後は、そのまま冷却してもよいが、当該熔融状態を一定時間保持してもよい。この際、熔融状態での保持時間は1〜2時間とすることが好ましい。また、熔融時の雰囲気については、特に限定されず、大気、窒素、アルゴン及びヘリウム等の不活性ガスなどが挙げられる。また、熔融時の圧力は特に限定されず、常圧、加圧、減圧のいずれでもよいが、通常、大気圧下で行えばよい。
熔融終了後は、熔融混合物を冷却して、CeO−ZrO複合酸化物のインゴットを作製する。例えば、電気炉に炭素蓋をして、20〜30時間徐冷することによって、インゴットが得られる。熔融物の冷却方法は、特に限定されないが、通常、熔融装置から取り出して、大気中で100℃以下、好ましくは50℃以下となるように放冷する。これにより、セリウム原料とジルコニウム原料が均一になったセリア−ジルコニア複合酸化物のインゴットを得られる。
熔融後のインゴットは、次いで粉砕される。インゴットの粉砕条件については、特に限定されないが、セリア−ジルコニア複合酸化物(A)の粒子径が好ましくは3mm以下、より好ましくは1mm以下となるように粉砕する。また、粉砕機は特に制限されないが、例えば、ジョークラッシャー、ロールクラッシャー等の粉砕機が使用できる。後工程での取り扱いを考慮すると、インゴットが1mm以下の粉体になるまで粉砕し、分級するのが好ましい。なお、得られた粉末は、磁力選鉱して不純物などを分離した後、所望に応じて、電気炉などに入れ、熔融工程での亜酸化物や過冷却による結晶内の歪みを酸化焼成によって除去することができる。ここで、酸化焼成の条件は、インゴットまたは粉末が酸化される条件であれば特に限定されないが、通常、100℃〜1000℃、好ましくは600℃〜800℃で焼成することができる。また、焼成時間については、特に限定されないが、0.5〜5時間、好ましくは1〜3時間とすることができる。
上記方法で得られた粉末を用途に合わせて、さらに微粉砕してもよい。微粉砕については、特に限定されないが、遊星ミル、ボールミルまたはジェットミル等の粉砕機で5〜30分間、微粉砕することができる。ここで、微粉砕条件は、特に制限されないが、セリア−ジルコニア複合酸化物の平均粒子径が0.3〜2.0μm、より好ましくは0.5〜1.5μmとなるような微粉砕条件であることが好ましい。詳細な理由は不明であるが、微粉砕されることで複合酸化物の表面積が大きくなり、低い温度域で大きな酸素放出が可能となるものと考えられる。なお、平均粒子径はレーザー回折散乱装置などの公知の方法で測定できる。
これにより、酸化物(CeO、ZrO)換算の重量比が好ましくは1:9〜9:1、より好ましくは2:3〜3:2のセリウムとジルコニウムを含有するセリウム−ジルコニウム複合酸化物(A)が得られる。
セリア−ジルコニア複合酸化物(A)は、加熱耐久試験を行い、その前後における構造の変化をX線回析装置(XRD)により測定することができる。例えば、1050℃及び1150℃での高温大気中焼成後のメインピーク(Zr0.5Ce0.5に相当)の波形が同じように重なっていることを確認することにより、熱的安定性に優れることが確認でき、また、上記ピークが極めてシャープでれば、大きな結晶構造を有することが確認できる。
本発明の触媒は、セリア−ジルコニア複合酸化物(B)をさらに含む。ここで、セリア−ジルコニア複合酸化物(B)は、実質的にパイロクロア相を含まない立方晶および/または正方晶構造のセリア−ジルコニア複合酸化物であり、例えば、国際公開第2008/093471号に記載されるものが同様にして使用できる。このため、構造が異なる限り、セリア−ジルコニア複合酸化物(A)とセリア−ジルコニア複合酸化物(B)とは、組成(構成元素)が同じであってもあるいは異なるものであってもよい。また、微量元素の有無が異なっていてもよい。
本発明に係るセリア−ジルコニア複合酸化物(B)の使用量は、特に制限されないが、触媒1リットル当り、5〜100gであることが好ましく、10〜80gであることが好ましい。このような使用量であれば、本発明の触媒は、酸素を十分な速度で吸放出できる。
また、セリア−ジルコニア複合酸化物(A)とセリア−ジルコニア複合酸化物(B)との混合比は、セリア−ジルコニア複合酸化物(A)がセリア−ジルコニア複合酸化物(B)で所望の程度にまで複合化できれば特に制限されない。具体的には、セリア−ジルコニア複合酸化物(A)とセリア−ジルコニア複合酸化物(B)との混合比(重量比)は、1:0.5〜20が好ましく、1:1〜10がより好ましい。このような範囲であれば、セリア−ジルコニア複合酸化物(A)がセリア−ジルコニア複合酸化物(B)で十分複合化できる。
セリア−ジルコニア複合酸化物(B)は、実質的にCe/Zr/Oのみから構成されてもよいが、Ce,Zrを必須構成元素として含む限り、その構成元素の一部を他の金属で置換してもよい。ここで、他の金属としては、希土類金属(希土類元素)、遷移金属、アルカリ金属、アルカリ土類金属等がある。ここで、希土類金属、遷移金属、アルカリ金属、アルカリ土類金属は、特に制限されず、セリア−ジルコニア複合酸化物(A)で例示したのと同様の金属が例示されうる。または、ハフニウム、レニウム、ビスマス、ガドリニウム、イッテルビウム、ゲルマニウム、セレン、インジウム、スカンジウム、チタン、鉄、銀、ロジウム、パラジウム、白金等の、金属成分で、セリア−ジルコニア複合酸化物(B)の構成成分の一部が置換されてもよい。これらのうちの1種を単独で、または2種以上を組み合わせて使用することができる。また、上記他の金属は、酸化物の形態でセリア−ジルコニア複合酸化物(B)中に存在してもよい。このうち、OSC材の耐熱性をより向上させる観点から、希土類金属、特にイットリウムおよび/またはランタンを含むことが好ましい。他の金属の使用量は、酸化物換算で、セリア−ジルコニア複合酸化物(B)に対して、0.05〜30重量%であることが好ましく、0.1〜20重量%であることがより好ましい。また、他の金属の使用量は、酸化物換算で、触媒1リットル当り、0.5〜15gであることが好ましく、1〜8gであることがより好ましく、2〜5gであることが特に好ましい。
セリア−ジルコニア複合酸化物(B)中に含まれるセリウムとジルコニウムとの重量比は、特に制限されないが、酸化物換算で、10:1〜1:50であることが好ましく、5:1〜1:40であることがより好ましく、6:1〜1:12であることがさらにより好ましく、4:1〜1:8であることが好ましい。このような組成であれば、優れた酸素の吸放出速度および耐熱性が達成できる。また、セリア−ジルコニア複合酸化物(B)のBET比表面積は、排ガス中の酸素を十分な速度で吸収(貯蔵)・放出できるものであれば特に制限はないが、好ましくは30〜500m/g、より好ましくは100〜300m/g、特に好ましくは150〜250m/gとするのがよい。
セリア−ジルコニア複合酸化物(B)でセリア−ジルコニア複合酸化物(A)を複合化する方法は、特に制限されない。以下に、セリア−ジルコニア複合酸化物(B)でセリア−ジルコニア複合酸化物(A)を複合化する方法の好ましい形態を説明する。しかし、本発明は、下記好ましい形態に限定されるものではない。
すなわち、上記したようにしてセリア−ジルコニア複合酸化物(A)を製造する。このようにして得られたセリア−ジルコニア複合酸化物(A)を、セリウムの原料、ジルコニウムの原料、および必要であれば上記したような他の金属(例えば、イットリウム、ランタン)などの原料の水溶液に添加・混合する。ここで、セリウム原料およびジルコニウム原料は、特に制限されず、上記セリア−ジルコニア複合酸化物(A)の製造方法で例示したのと同様のものが使用できる。同様にして、必要であれば添加される他の金属などの原料もまた、特に制限されず、上記セリア−ジルコニア複合酸化物(A)の製造方法で例示したのと同様のものが使用できる。
次に、上記混合物に、アンモニアまたはアンモニア水溶液を添加して、水酸化セリウムおよび水酸化ジルコニウムを共沈させる。ここで、アンモニアの添加量は、特に制限されないが、水酸化セリウムおよび水酸化ジルコニウムの共沈のしやすさを考慮すると、混合液のpHが8〜12となるような量である。この混合物について吸引濾過を行った後、純水で水洗する。これを乾燥し、さらに焼成する。ここで、上記乾燥・焼成条件は特に制限されず、通常触媒の分野において公知の条件が同様にして適用できる。例えば、乾燥条件は、温度50〜200℃で1〜5時間が好ましく、焼成条件は、温度200〜700℃で1〜5時間が好ましい。また、乾燥および焼成は、空気流通下で行なうことが好ましい。
これにより、酸化物(CeO、ZrO)換算の重量比が上記したようなセリウムとジルコニウムを含有するセリウム−ジルコニウム複合酸化物(B)が、セリア−ジルコニア複合酸化物(A)を複合化した構造体(以下、「本発明に係るOSC材」とも称する)が得られる。
本発明の触媒は、セリア−ジルコニア複合酸化物(A)がセリア−ジルコニア複合酸化物(B)で複合化された本発明に係るOSC材を必須に含む。ここで、本発明に係るOSC材の使用量は、優れた酸素貯蔵特性(OSC)、酸素吸放出速度、触媒性能などの所望の特性を発揮できれば特に制限されない。本発明に係るOSC材の使用量は、触媒1リットルあたり、好ましくは5〜100g、より好ましくは10〜80gである。このような量であれば、本発明に係るOSC材は優れた酸素貯蔵特性(OSC)、酸素吸放出速度を発揮できるため、本発明の触媒は、優れた触媒性能を発揮できる。
本発明の触媒は、本発明に係るOSC材を必須に含むが、他の成分を含んでもよい。例えば、本発明の触媒は、排ガスを浄化するための化学反応(酸化・還元反応)を直接的に触媒する触媒活性成分をさらに含むことが好ましい。ここで、触媒活性成分としては、特に制限されないが、触媒活性などを考慮すると、貴金属が好ましく挙げられる。
触媒活性成分として使用される貴金属の種類に特に制限はないが、白金、パラジウム、およびロジウムなどが好ましく挙げられる。上記貴金属は、単独で使用されてもあるいは2種以上の混合物の形態で使用されてもよい。これらの貴金属の使用量についても特に制限はない。例えば、白金の使用量は、触媒1リットルあたり、好ましくは0.01〜5g、より好ましくは0.5〜3gである。パラジウムの使用量は、触媒1リットルあたり、好ましくは0.1〜20g、より好ましくは0.5〜10gである。ロジウムの使用量は、触媒1リットルあたり、好ましくは0.01〜3g、より好ましくは0.03〜1.5gである。なお、2種以上の貴金属を使用する際の貴金属の使用量は、これらの合計量を意味する。また、本発明の触媒が2層以上の積層構造を有する場合には、貴金属の使用量は、各触媒層中での量を意味する。
また、本発明の触媒は、他の成分として、上記貴金属に加えてまたは上記貴金属に代えて、耐火性無機酸化物、ならびに希土類金属(セリウムを除く)、遷移金属(ジルコニウムを除く)およびアルカリ土類金属を含む耐火性無機酸化物からなる群から選択される少なくとも1種をさらに含んでもよい。このうち、耐火性無機酸化物は、貴金属、希土類金属、その他の金属元素などの触媒活性成分を担持する担体として使用されうる。耐火性無機酸化物としては、通常、触媒担体として用いられるものであれば特に制限されない。具体的には、α−アルミナ、もしくはγ、δ、η、θなどの活性アルミナのような酸化アルミニウム(Al);酸化ケイ素(SiO);酸化チタン(チタニア)(TiO);酸化ジルコニウム(ZrO);酸化リン(P);リン酸ゼオライト;またはこれらの複合酸化物、例えば、アルミナ−チタニア複合酸化物、アルミナ−ジルコニア複合酸化物、チタニア−ジルコニア複合酸化物、セリア−ジルコニア複合酸化物などが挙げられ、これらのうち、酸化アルミニウム、酸化ケイ素(シリカ)、酸化リン、酸化チタン、酸化ジルコニウムおよびセリア−ジルコニア複合酸化物が好ましく、酸化ケイ素(シリカ)、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、セリア−ジルコニア複合酸化物がより好ましく、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、セリア−ジルコニア複合酸化物、活性アルミナの粉体がさらに好ましい。この際、これらの耐火性無機酸化物は、単独で使用されてもあるいは2種以上の混合物の形態で使用されてもよい。また、これらは、上記したような酸化物の形態で使用されてもよいが、加熱することにより酸化物を形成しうるものを使用してもよい。後者の場合には、上記アルミニウム、ケイ素、チタン、ジルコニウム、リンの、水酸化物、硝酸塩、塩化物などのハロゲン化物、酢酸塩、硫酸塩、炭酸塩などが使用できる。また、上記耐火性無機酸化物は、他の金属を含むものであってもよい。ここで、他の金属としては、特に制限されないが、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、ランタン(La)、プラセオジム(Pr)、およびネオジム(Nd)などの希土類金属(ただし、セリウムを除く。以下同様)、コバルト(Co)およびニッケル(Ni)などの遷移金属(ただし、鉄およびジルコニウムを除く。以下同様);マグネシウム(Mg)およびバリウム(Ba)などのアルカリ土類金属などが挙げられる。上記他の金属は、1種を単独で、または2種以上を組み合わせて使用することができる。これらのうち、耐火性無機酸化物は、イットリウムおよび/またはランタンを含むことが好ましい。また、耐火性無機酸化物が他の金属を含む場合の他の金属の使用量は、酸化物換算で、耐火性無機酸化物100gに対して、0.5〜10gであることが好ましく、2〜5gであることが好ましい。なお、2種以上の他の金属を使用する際の他の金属の使用量は、これらの合計量を意味する。また、本発明の触媒が2層以上の積層構造を有する場合には、他の金属の使用量は、各触媒層中での量を意味する。
本発明の触媒が耐火性無機酸化物をさらに含む場合の、耐火性無機酸化物の使用量は、特に制限されないが、触媒1リットルあたり、好ましくは10〜300g、より好ましくは30〜150gである。なお、2種以上の耐火性無機酸化物を使用する際の耐火性無機酸化物の使用量は、これらの合計量を意味する。また、本発明の触媒が2層以上の積層構造を有する場合には、耐火性無機酸化物の使用量は、各触媒層中での量を意味する。10g以上であれば貴金属などの触媒活性成分を十分に分散することができるとともに、耐久性を十分に確保しうる。一方、300g以下であれば、貴金属などの触媒活性成分と排ガスとが適度に接触することによって、温度上昇がなされやすく、酸化・還元反応が好適に行われうる。また、耐火性無機酸化物のBET比表面積は、貴金属などの触媒活性成分を担持させる観点から、50〜750m/gであることが好ましく、150〜750m/gであることがより好ましい。また、該耐火性無機酸化物の大きさは特に制限されないが、例えば、粉末の形態の場合には、平均粒子径は、0.5〜150μmであることが好ましく、1〜100μmであることがより好ましい。
また、本発明の触媒が希土類金属(セリウムを除く)、遷移金属(ジルコニウムを除く)およびアルカリ土類金属を含む耐火性無機酸化物をさらに含む場合の、耐火性無機酸化物は、上記したのと同様の具体例および使用量が適用される。希土類金属(セリウムを除く)は、特に制限はないが、例えば、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、ランタン(La)プラセオジム(Pr)、およびネオジム(Nd)などが挙げられる。これらの希土類金属は、通常、酸化物の形態で使用される。希土類金属(セリウムを除く)の使用量は、酸化物換算で、触媒1リットル当り、0.5〜10gであることが好ましく、2〜5gであることが好ましい。また、アルカリ土類金属は、特に制限はないが、例えば、カルシウム(Ca)およびバリウム(Ba)などが挙げられる。これらのアルカリ土類金属は、通常、酸化物の形態で使用される。アルカリ土類金属の使用量は、酸化物換算で、触媒1リットル当り、0.5〜20gであることが好ましく、2〜10gであることが好ましい。遷移金属は、特に制限はないが、例えば、コバルト(Co)およびニッケル(Ni)などが挙げられる。これらの遷移金属は、通常、酸化物の形態で使用される。遷移金属の使用量は、酸化物換算で、触媒1リットル当り、0.01〜20gであることが好ましく、0.1〜10gであることが好ましい。
または、本発明の触媒は、上記成分に代えてまたは上記成分の少なくとも1種に加えて、助触媒成分を含んでもよい。この際、助触媒成分としては、特に制限されず、触媒の分野において公知の助触媒成分が使用できる。例えば、希土類金属、アルカリ土類金属、その他の遷移金属が挙げられる。これらの助触媒成分は、触媒中に、通常酸化物の形態で存在する。このうち、希土類金属(セリウムを除く)としては、特に制限はないが、例えば、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、ランタン(La)、プラセオジム(Pr)、およびネオジム(Nd)などが挙げられる。これらの希土類金属は、通常、酸化物の形態で使用される。希土類金属(セリウムを除く)の使用量は、酸化物換算で、触媒1リットル当り0.5〜10gであることが好ましく、2〜5gであることが好ましい。また、アルカリ土類金属としては、マグネシウム(Mg)およびバリウム(Ba)が挙げられる。これらのアルカリ土類金属は、通常、酸化物の形態で使用されるが、炭酸塩、硫酸塩の形態で使用されてもよい。アルカリ土類金属の使用量は、酸化物換算で、触媒1リットル当り、0.5〜20gであることが好ましく、2〜10gであることが好ましい。その他の遷移金属としては、特に制限はないが、例えば、コバルト(Co)およびニッケル(Ni)などが挙げられる。これらの遷移金属は、通常、酸化物の形態で使用される。遷移金属の使用量は、酸化物換算で、触媒1リットル当り、0.01〜20gであることが好ましく、0.1〜10gであることが好ましい。これらの助触媒成分は、触媒層中に単独で分散されていてもよいし、セリア−ジルコニア複合酸化物(A)または耐火性無機酸化物に担持された形態であってもよい。なお、2種以上の助触媒成分を使用する際の助触媒成分の使用量は、これらの合計量を意味する。また、本発明の触媒が2層以上の積層構造を有する場合には、助触媒成分の使用量は、各触媒層中での量を意味する。
または、本発明の触媒は、上記成分に代えてまたは上記成分の少なくとも1種に加えて、OSC材をさらに含んでもよい。ここで、OSC材としては、特に制限されず、触媒の分野において公知のOSC材が使用できる。具体的には、パイロクロア構造のみを有するセリア−ジルコニア複合酸化物(CeO−ZrO複合酸化物)、立方晶(蛍石型)構造のみを有する酸化セリウム(CeO)、立方晶(蛍石型)構造のみを有する酸化ジルコニウム(ZrO)、立方晶(蛍石型)構造のみを有するセリア−ジルコニア複合酸化物(CeO−ZrO複合酸化物)などが挙げられる。OSC材の使用量は、特に制限されないが、触媒1リットル当り、5〜150gであることが好ましく、10〜120gであることが好ましい。
本発明に係る触媒は、そのまま使用されてもよいが、担体に担持されることが好ましい。この際、担体は、当該分野で通常使用される担体を制限なく使用することができるが、三次元構造体を使用することが好ましい。三次元構造体としては、例えば、ハニカム担体等の耐熱性担体が奉げられる。また、三次元構造体としては一体成形型のもの(一体構堰体)が好ましく、例えば、モノリス担体、メタルハニカム担体、ディーゼルパティキュレートフィルター等のプラグドハニカム担体、パンチングメタル等が好ましく用いられる。なお、必ずしも三次元一体構造体である必要はなく、例えばペレット担体等を用いることもできる。
モノリス担体としては、通常、セラミックハニカム担体と称されるものであればよく、特に、コージェライト、ムライト、α−アルミナ、炭化ケイ素、窒化ケイ素等を材料とするものが好ましく、中でもコージェライト質のもの(コージェライト担体)が特に好ましい。その他、ステンレス鋼、Fe−Cr−Al合金等を含む酸化抵抗性の耐熱性金属を用いて一体構造体としたもの等が用いられる。
これらモノリス担体は、押出成型法やシート状素子を巻き固める方法等によって製造される。そのガス通気口(セル形状)の形は、六角形、四角形、三角形又はコルゲーション形の何れであってもよい。セル密度(セル数/単位断面積)は100〜1200セル/平方インチであれば十分に使用可能であり、好ましくは200〜900セル/平方インチ、より好ましくは250〜500セル/平方インチである。また、本発明の触媒を三次元構造体上に担持する方法は、特に限定されるものではない。例えば、ウォッシュコート等の方法を用いることができる。
以下、本発明の触媒の製造方法の好ましい形態を説明する。しかし、本発明は、下記好ましい形態に限定されるものではない。
すなわち、本発明に係るOSC材、ならびに必要であれば、上記したような他の成分、例えば、貴金属の原料、耐火性無機酸化物、希土類金属(セリウムを除く)、遷移金属(ジルコニウムを除く)およびアルカリ土類金属からなる群より選択される少なくとも1種を含む耐火性無機酸化物、助触媒成分などを、所望の組成に応じて、適宜秤量、混合して、5〜95℃で0.5〜24時間攪拌した後、湿式粉砕し、スラリーを調製する。このスラリーを上記したような担体(例えば、三次元構造体)と接触させた後、空気中で50〜300℃、好ましくは80〜200℃の温度で、5分〜10時間、好ましくは5分〜8時間、乾燥させる。次に、300〜1200℃、好ましくは400〜800℃の温度で30分〜10時間、好ましくは1時間〜5時間、焼成させる。ついで、スラリー(B)を、スラリー(A)がコートされた担体と接触させた後、空気中で50〜300℃、好ましくは80〜200℃の温度で、5分〜10時間、好ましくは5分〜8時間、乾燥させる。次に、300〜1200℃、好ましくは400〜800℃の温度で30分〜10時間、好ましくは1時間〜5時間、焼成させることにより、本発明の触媒が得られる。
なお、本発明の触媒は、上記したように、本発明に係るOSC材を有するものであれば、触媒層1層のみを有していても、あるいは2層以上の触媒層が積層した構造を有するものであってもよい。本発明の触媒が2層以上の触媒層が積層した構造を有する場合において、本発明に係るOSC材はいずれの触媒層に配置されてもよい。好ましくは、本発明に係るOSC材が少なくともパラジウムを含む層に配置されることが好ましい。このような配置により、本発明に係るOSC材の能力を最大限に発揮できる。また、本発明に係るOSC材を含まない他の触媒層は、特に制限されず、触媒の分野において公知の触媒層でありうる。例えば、本発明に係るOSC材を使用しない以外は、上記したのと同様の構成(成分)を使用できる。また、各触媒層における構成(成分)は、同じであってもよいが、異なる構成であることが好ましい。例えば、貴金属では、触媒層2層における貴金属の好ましい組み合わせ(触媒下層における貴金属と触媒上層における貴金属との組み合わせとして記載)としては、以下に制限されないが、白金とロジウムとの組み合わせ、パラジウムとロジウムとの組み合わせ、白金及びパラジウムとロジウムとの組み合わせ、白金とロジウム及びパラジウムとの組み合わせ、パラジウムとロジウム及び白金との組み合わせなどがある。このような組み合わせにより、効率よく排ガスを浄化できる。このうち、白金とロジウムとの組み合わせ、パラジウムとロジウムとの組み合わせがより好ましい。なお、すべての触媒層に貴金属を含む必要はないが、すべての触媒層に貴金属を含むことが好ましい。これにより、触媒性能をより向上できる。
本発明に係るOSC材は、優れた酸素貯蔵特性(OSC)、すなわち、優れた酸素貯蔵能および高い酸素吸放出速度を発揮できる。また、本発明に係るOSC材は、700℃以上の高温に曝された後も、優れた酸素貯蔵特性(OSC)、すなわち、優れた酸素貯蔵能および高い酸素吸放出速度を発揮できる。このため、本発明の触媒は、高温に曝された後も優れた触媒活性を発揮できる。したがって、本発明の触媒は、内燃機関、特にガソリンエンジン、ディーゼルエンジンの排気ガスの浄化に好適に使用されうる。なお、本発明の触媒の使用条件は特に制限されない。例えば、空間速度(S.V.)は10,000〜120,000h−1、好ましくは30,000〜100,000h−1である。本発明の触媒は、A/F変動吸収に優れており、変動幅が±1.0以上でも優れた触媒性能を発揮することができる。
また、加速時の触媒入口部の温度は0℃〜1200℃が好ましく、より好ましくは0℃〜800℃であり、さらに好ましくは200〜800℃である。特に、本形態の触媒は、800℃以上の高温に曝された後であっても優れた触媒性能を維持することができる。該効果は、900℃以上の高温に曝された場合により顕著なものとなる。内燃機関から排出される炭化水素は使用する燃料により異なるが、好ましくはMPIエンジンに適用可能な燃料であり、ガソリン、E10、E30、E100、CNGが好ましく、軽油、ジメチルエーテル、バイオディーゼルなどでもA/F値が14.7未満となる場合には本形態の触媒が有効である。
また、本形態の触媒は、単独で十分な触媒活性を発揮できるものであるが、本発明の触媒の前段(流入側)または後段(流出側)に同様の、または異なる排気ガス浄化触媒を配置してもよい。好ましくは、本発明の触媒を単独で配置する、または本発明の触媒を前段(流入側)および後段(流出側)双方に配置する、または本発明の触媒を前段(流入側)および後段(流出側)のいずれか一方に配置しかつ従来公知の排気ガス浄化触媒を他方に配置する。より好ましくは、本発明の触媒を単独で配置する、または本発明の触媒を前段(流入側)および後段(流出側)双方に配置する。
本発明の効果を、以下の実施例および比較例を用いて説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。
合成例1
まず、高純度ジルコニア(86g)および高純度セリア(114g)を、それぞれ、秤量し、混合した。この混合物を、アーク式電気炉を用い、二次電圧85V、平均負荷電力99.5kW、通電時間2時間、総電力量182kWhを印加して、2250℃以上で熔融を行った。
なお、初期の通電を促すためにコークス10gを使用した。熔融終了後、電気炉に炭素蓋をして、大気中で24時間徐冷しインゴットを得た。得られたインゴットをジョークラッシャーおよびロールクラッシャーで3mm以下まで粉砕した後、篩で1mm以下の粉末を捕集した。次に、熔融工程での亜酸化物や過冷却による結晶内の歪みを除去するために電気炉を用いて大気中、800℃で3時間焼成し、遊星ミルで10分間粉砕し、平均粒子径が3.4μmであり比表面積が2.0m/gであるセリア−ジルコニア複合酸化物(A1)を得た。なお、平均粒子径の測定は、レーザー回折散乱装置で測定した。また、得られたセリア−ジルコニア複合酸化物(A1)について、X線回析装置(XRD)で分析したところ、セリア−ジルコニア複合酸化物(A1)は結晶構造中にパイロクロア相を単一に含むことが確認された。すなわち、ここで得られたセリア−ジルコニア複合酸化物(A1)は、パイロクロア構造を有し、セリア及びジルコニア(CeO:ZrO)の組成が57:43(重量比)であるCeO−ZrO複合酸化物である。
このようにして得られた、パイロクロア構造を有するセリア−ジルコニア複合酸化物(A1)(平均粒子径=3.4μm、比表面積=2.0m/g、セリア(CeO):ジルコニア(ZrO)=57:43(重量比))(100g)、硝酸セリウム(純度99.0%)(317g)、オキシ硝酸ジルコニウム(純度99.0%)(301.1g)および硝酸ランタン6水和物(107.2g)を含むイオン交換水(500g)を調製した。この水溶液に、最終的にpH=10.2となるまで、5重量%アンモニア水を添加し、水酸化セリウムおよび水酸化ジルコニウムを共沈させた。次に、この混合物について吸引濾過を行った後、純水で水洗した。これを、150℃で3時間乾燥させた後、500℃で2時間焼成し、遊星ミルで10分間粉砕し、平均粒子径が2.1μmであり比表面積が53.7m/gであるOSC材1を得た。このOSC1材について、TEMによる回折パターン及びEDX分析を行ったところ、セリア−ジルコニア複合酸化物(A1)はセリア−ジルコニア複合酸化物(B1)としてのCeO−ZrO−La複合酸化物と複合化されており、このセリア−ジルコニア複合酸化物(B1)部分は結晶構造中に立方晶を単一に含むことが確認された。すなわち、得られたOSC材1は、パイロクロア構造をもつCeO−ZrO(CeO:ZrO=57:43(重量比))と複合化された立方晶構造をもつCeO−ZrO−Laが存在するOSC材であり、その組成はCeO:ZrO:La=45:45:10(重量比)である。また、ここで得られたOSC材1は、セリア−ジルコニア複合酸化物(A1)全体がセリア−ジルコニア複合酸化物(B1)で複合化(被覆)されていた。
合成例2
硝酸セリウム(純度99.0%)(579.9g)、オキシ硝酸ジルコニウム(純度99.0%)(455.5g)および硝酸ランタン6水和物(133.0g)を含むイオン交換水(500g)を調製した。この水溶液に、最終的にpH=10.2となるまで、5重量%アンモニア水を添加し、水酸化セリウムおよび水酸化ジルコニウムを共沈させた。次に、この混合物について吸引濾過を行った後、純水で水洗した。これを500℃で2時間焼成し、遊星ミルで10分間粉砕し、平均粒子径が2.2μmであり比表面積が70.0m/gであるセリア−ジルコニア複合酸化物(B2)を得た。このセリア−ジルコニア複合酸化物(B2)について、X線回析装置(XRD)で分析したところ、セリア−ジルコニア複合酸化物(B2)は、結晶構造中に立方晶を単一に含むことが確認された。また、その組成は、CeO:ZrO:La=45:45:10(重量比)である。
合成例3
まず、高純度ジルコニア(235g)および高純度セリア(265g)を、それぞれ、秤量し、混合した。この混合物を、アーク式電気炉を用い、二次電圧85V、平均負荷電力99.5kW、通電時間2時間、総電力量182kWhを印加して、2250℃以上で熔融を行った。
なお、初期の通電を促すためにコークス25gを使用した。熔融終了後、電気炉に炭素蓋をして、大気中で24時間徐冷しインゴットを得た。得られたインゴットをジョークラッシャーおよびロールクラッシャーで3mm以下まで粉砕した後、篩で1mm以下の粉末を捕集した。次に、熔融工程での亜酸化物や過冷却による結晶内の歪みを除去するために電気炉を用いて大気中、800℃で3時間焼成し、遊星ミルで10分間粉砕し、平均粒子径が3.4μmであり比表面積が2.0m/gであるセリア−ジルコニア複合酸化物(A2)を得た。なお、平均粒子径の測定は、レーザー回折散乱装置で測定した。また、得られたセリア−ジルコニア複合酸化物(A2)について、X線回析装置(XRD)で分析したところ、セリア−ジルコニア複合酸化物(A2)は結晶構造中にパイロクロア相を単一に含むことが確認された。また、その組成は、CeO:ZrO=57:43(重量比)である。
合成例4
硝酸セリウム(純度99.0%)(317g)、オキシ硝酸ジルコニウム(純度99.0%)(301.1g)および硝酸ランタン6水和物(107.2g)を含むイオン交換水(500g)を調製した。この水溶液に、最終的にpH=10.2となるまで、5重量%アンモニア水を添加し、水酸化セリウムおよび水酸化ジルコニウムを共沈させた。次に、この混合物について吸引濾過を行った後、純水で水洗した。これを500℃で2時間焼成し、遊星ミルで10分間粉砕し、平均粒子径が2.2μmであり比表面積が70.0m/gであるセリア−ジルコニア複合酸化物(B3)を得た。このセリア−ジルコニア複合酸化物(B3)について、X線回析装置(XRD)で分析したところ、セリア−ジルコニア複合酸化物(B3)は、結晶構造中に立方晶(正方晶)を単一に含むことが確認された。またその組成はCeO:ZrO:La=41:45.7:13.3(重量比)である。
実施例1
パラジウム原料として硝酸パラジウム、アルミナ(Al)、および上記合成例1で得られたOSC材1[パイロクロア構造をもつCeO−ZrO(CeO:ZrO=57:43(重量比))に複合化された立方晶構造をもつCeO−ZrO−La(CeO:ZrO:La=45:45:10(重量比))が存在するOSC材。]の各原料を、Pd:Al:OSC材1=3:52:60(重量比)となるように秤量した。そして、これらの原料を混合し、1時間攪拌し、その後湿式粉砕してスラリー(A)を調製した。
また、ロジウム原料として硝酸ロジウム、ジルコニア粉末、CeO−ZrO−Y複合酸化物(=30:60:10(重量比))、およびアルミナ(Al)の各原料を、Rh:ZrO:CeO−ZrO−Y:Al=0.2:20:30:30(重量比)となるように秤量した。そして、これらの原料を混合し、1時間攪拌し、その後湿式粉砕してスラリー(B)を調製した。
得られたスラリー(A)を、0.7L(直径99.2mm×長さ90mm)の容積を有するコージェライト製ハニカム担体にウォッシュコートし、150℃で乾燥した後、500℃で1時間焼成した。焼成後のスラリー(A)由来の各触媒成分の総量は115gであった。担体1L当たりに含まれるスラリー(A)由来の各触媒成分は、Pdが3g、Alが52g、OSC材1が60gであった。
次に、スラリー(A)がコートされた担体に、スラリー(B)をウォッシュコートし、150℃で乾燥した後、500℃で1時間焼成し、触媒1を得た。焼成後のスラリー(B)由来の各触媒成分の総量は80.2gであった。担体1L当たりに含まれるスラリー(B)由来の各触媒成分は、Rhが0.2g、ZrOが20g、CeO−ZrO−Yが30g、Alが30gであった。
比較例1
実施例1において、OSC材1の代わりに、上記合成例2で得られたセリア−ジルコニア複合酸化物(B2)[立方晶構造のみをもつOSC材。CeO:ZrO:La=45:45:10(重量比)]を、担体1L当たり、60g使用した以外は、実施例1と同様にして、触媒2を得た。
比較例2
パラジウム原料として硝酸パラジウム、アルミナ(Al)、および上記合成例3で得られたセリア−ジルコニア複合酸化物(A2)[パイロクロア構造のみをもつOSC材。CeO:ZrO=57:43(重量比)]の各原料を、Pd:Al:OSC材3=3:65:47(重量比)となるように秤量した。そして、これらの原料を混合し、1時間攪拌し、その後湿式粉砕してスラリー(C)を調製した。
得られたスラリー(C)を、0.7Lのコージェライト製ハニカム担体にウォッシュコートし、150℃で乾燥した後、500℃で1時間焼成した。焼成後のスラリー(C)由来の各触媒成分の総量は115gであった。担体1L当たりに含まれるスラリー(C)由来の各触媒成分は、Pdが3g、Alが65g、OSC材3が47gであった。
次に、スラリー(C)がコートされた担体に、実施例1と同様にして、スラリーBをウォッシュコートし、150℃で乾燥した後、500℃で1時間焼成し、触媒3を得た。
比較例3
実施例1において、OSC材1の代わりに、担体1L当たり、45gの合成例4で得られたセリア−ジルコニア複合酸化物(B3)と、担体1L当たり、15gの合成例1で得られたセリア−ジルコニア複合酸化物(A1)と、の混合物を使用した以外は、実施例1と同様にして、触媒4を得た。なお、この混合物は、立方晶構造のみをもちかつその組成は合成例1のセリア−ジルコニア複合酸化物(B1)と同じであるセリア−ジルコニア複合酸化物(B3)およびパイロクロア構造のみをもつセリア−ジルコニア複合酸化物(A1)を、合成例1のOSC材1と組成が同じになるように物理的に混合したものである。
実施例2
パラジウム原料として硝酸パラジウム、アルミナ(Al)、および上記合成例1で得られたOSC材1[パイロクロア構造をもつCeO−ZrO(CeO:ZrO=57:43(重量比))に複合化された立方晶構造をもつCeO−ZrO−La(CeO:ZrO:La=45:45:10(重量比))が存在するOSC材。]の各原料を、Pd:Al:OSC材1=3:52:60(重量比)となるように秤量した。そして、これらの原料を混合し、1時間攪拌し、その後湿式粉砕してスラリー(D)を調製した。
また、ロジウム原料として硝酸ロジウム、ジルコニア粉末、CeO−ZrO−Y複合酸化物(=30:60:10(重量比))、およびアルミナ(Al)の各原料を、Rh:ZrO:CeO−ZrO−Y:Al=0.15:20:30:30(重量比)となるように秤量した。そして、これらの原料を混合し、1時間攪拌し、その後湿式粉砕してスラリー(E)を調製した。
得られたスラリー(D)を、0.9L(直径103mm×長さ105mm)の容積を有するコージェライト製ハニカム担体にウォッシュコートし、150℃で乾燥した後、500℃で1時間焼成した。焼成後のスラリー(D)由来の各触媒成分の総量は119.5gであった。担体1L当たりに含まれるスラリー(D)由来の各触媒成分は、Pdが2.5g、Alが52g、OSC材1が60gであった。
次に、スラリー(D)がコートされた担体に、スラリー(E)をウォッシュコートし、150℃で乾燥した後、500℃で1時間焼成し、触媒5を得た。焼成後のスラリー(E)由来の各触媒成分の総量は80.15gであった。担体1L当たりに含まれるスラリー(E)由来の各触媒成分は、Rhが0.15g、ZrOが20g、CeO−ZrO−Yが30g、Alが30gであった。
比較例4
実施例2において、OSC材1の代わりに、上記合成例2で得られたセリア−ジルコニア複合酸化物(B2)[立方晶構造のみをもつOSC材。CeO:ZrO:La=45:45:10(重量比)]を、担体1L当たり、60g使用した以外は、実施例1と同様にして、触媒6を得た。
<A/F浄化特性およびOSC特性の評価>
以下のようにして、上記実施例1および2ならびに比較例1〜4で得られた触媒1〜6について、A/F浄化特性およびOSC特性を評価した。
1.耐久処理
上記実施例1および比較例1〜3で得られた0.7Lの触媒1〜4を、それぞれ、触媒コンバーターにセットし、3.0LのMPIエンジン排気孔から下流の位置に設置し、排ガスを触媒に流通させた。この際、排ガスは、触媒BED温度が最大1000℃となるように、ストイキ(A/F=14.6)を50秒、リッチ(A/F=13.5)を5秒、燃料カットを5秒のサイクルを周期的に繰り返すモードで、80時間エンジン運転された時に排出されたものとした。
また、実施例2および比較例4で得られた0.7Lの触媒5〜6については、上記実施例1で得られた0.7Lの触媒1を触媒コンバーターにセットし、3.0LのMPIエンジン排気孔から下流の位置に設置した。さらに、この触媒コンバーターの下流側に、実施例2または比較例4で得られた触媒5〜6を、それぞれ、触媒コンバーターにセットしたものを、設置し、排ガスを流通させた。この際、排ガスは、触媒(触媒1)BED温度が最大1000℃、後段触媒(触媒5または6)BED温度が930℃となるように、ストイキ(A/F=14.6)を50秒、リッチ(A/F=13.5)を5秒、燃料カットを5秒のサイクルを周期的に繰り返すモードで、80時間エンジン運転された時に排出されたものとした。
2.A/F浄化特性の評価
上記1.で耐久処理された各触媒がセットされたコンバーターを、2.4LのMPIエンジンの下流に設置した。触媒入口温度を500℃に固定し、周期1Hzで±1.0の振幅をかけた状態でA/Fを14.1から15.1に変動させながらエンジン運転を行い、排ガスを触媒に流通させた。この際、空間速度(SV)は100,000hr−1とした。A/Fの変動中のCO、HC、NOxの濃度を記録し、縦軸が転化率、横軸がA/F値であるグラフから読み取れるCO−NOx、HC−NOxのクロスオーバーポイント(COP;COまたはHCが、NOxと交差する点)を求めた。ここで、クロスオーバーポイント(COP)の値が大きいほど、触媒性能が高いことを意味する。その結果を下記表1に示す。なお、触媒5または6の上流側に配置した触媒1については、本評価は行っていない。
3.OSC特性の評価
上記1.で耐久処理された各触媒がセットされたコンバーターを、2.4LのMPIエンジンの下流に設置した。触媒入口温度を500℃に固定し、A/Fを、15.1で運転し、その後、14.3に切り替えた。15.1から14.3に切り替えた際に、触媒出口側のA/Fがストイキ(14.7から14.5)を持続する時間を求めた。その結果を下記表2に示す。なお、触媒5または6の上流側に配置した触媒1については、本評価は行っていない。
Figure 0006120309
Figure 0006120309
上記表1の結果から、本発明の触媒1は、立方晶構造のみをもつOSC材を用いた触媒2、パイロクロア構造のみをもつOSC材を用いた触媒3、さらには立方晶構造のみをもつOSC材とパイロクロア構造のみをもつOSC材との混合物を用いた触媒4に比して、CO−NOx、HC−NOxのクロスオーバーポイントが有意に高いことが分かる。同様にして、本発明の触媒5は、立方晶構造のみをもつOSC材を用いた触媒6に比して、CO−NOx、HC−NOxのクロスオーバーポイントが有意に高いことが分かる。これらの結果から、本発明の触媒は、1000℃での耐久処理後においても、酸素濃度が変動する排ガスに対して優れた浄化性能を発揮すると、考察される。
また、上記表2の結果から、本発明の触媒1は、立方晶構造のみをもつOSC材を用いた触媒2、パイロクロア構造のみをもつOSC材を用いた触媒3、さらには立方晶構造のみをもつOSC材とパイロクロア構造のみをもつOSC材との混合物を用いた触媒4に比して、ストイキ(14.7から14.5)を持続する時間を有意に延長できることが分かる。同様にして、本発明の触媒5は、立方晶構造のみをもつOSC材を用いた触媒6に比して、ストイキ(14.7から14.5)を持続する時間を有意に延長できることが分かる。これらの結果から、本発明の触媒は、優れた酸素貯蔵特性(OSC)を有すると、考察される。
さらに、本出願は、2011年2月1日に出願された日本特許出願番号第2011−019896号に基づいており、その開示内容は、参照され、全体として、組み入れられている。

Claims (5)

  1. パイロクロア構造を有する粒状、微粒子状、粉末状、円筒状、円錐状、角柱状、立方体状、角錐状、不定形のセリア−ジルコニア複合酸化物(A)と、立方晶構造を有するセリア−ジルコニア複合酸化物(B)と、を含む排ガス浄化用触媒であって、前記セリア−ジルコニア複合酸化物(A)がセリア−ジルコニア複合酸化物(B)で被覆されてなる酸素吸蔵材を含むことを特徴とする、排ガス浄化用触媒。
  2. 前記セリア−ジルコニア複合酸化物(A)粒子全体がセリア−ジルコニア複合酸化物(B)で被覆される、請求項1に記載の排ガス浄化用触媒。
  3. 白金、パラジウム、およびロジウムからなる群から選択される少なくとも1種の貴金属をさらに含む、請求項1または2に記載の排ガス浄化用触媒。
  4. 耐火性無機酸化物、ならびに希土類金属(セリウムを除く)、遷移金属(ジルコニウムを除く)およびアルカリ土類金属を含む耐火性無機酸化物からなる群から選択される少なくとも1種をさらに含む、請求項1〜3のいずれか1項に記載の排ガス浄化用触媒。
  5. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の排ガス浄化用触媒を、内燃機関から排出される排ガスに曝す工程を含む、排ガス浄化方法。
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