JP7754881B2 - Oxygen storage material and method for producing the same - Google Patents
Oxygen storage material and method for producing the sameInfo
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Description
本発明は、パイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物を含有する酸素貯蔵材料及びその製造方法に関する。 The present invention relates to an oxygen storage material containing a pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide and a method for producing the same.
自動車エンジン等の内燃機関から排出される排ガス中の一酸化炭素(CO)及び炭化水素(HC)を酸化すると同時に、窒素酸化物(NOx)を還元できる排ガス浄化触媒としていわゆる三元触媒が知られている。 So-called three-way catalysts are known as exhaust gas purification catalysts that can oxidize carbon monoxide (CO) and hydrocarbons (HC) in exhaust gases emitted from internal combustion engines such as automobile engines, while simultaneously reducing nitrogen oxides (NOx).
そして、排ガス浄化触媒を用いて排ガスを浄化するにあたって、排ガス中の酸素濃度の変動を吸収して排ガス浄化能力を高めるために、排ガス中の酸素濃度が高いときに酸素を吸蔵でき、排ガス中の酸素濃度が低いときに酸素を放出できる酸素貯蔵能(Oxygen Storage Capacity(OSC))を有する材料を、排ガス浄化触媒の担体や助触媒として用いることが知られている。 When purifying exhaust gas using an exhaust gas purification catalyst, it is known to use materials with oxygen storage capacity (Oxygen Storage Capacity (OSC)), which can store oxygen when the oxygen concentration in the exhaust gas is high and release oxygen when the oxygen concentration in the exhaust gas is low, as supports or co-catalysts for the exhaust gas purification catalyst in order to absorb fluctuations in the oxygen concentration in the exhaust gas and increase the exhaust gas purification capacity.
このようなOSCを有する酸素貯蔵材料としては、従来からセリアが好適に用いられており、近年では、セリアを含有する様々な種類の複合酸化物が研究され、いわゆる共沈法、逆共沈法、水熱合成法、熔融法、固相法等によって得られる種々のセリア-ジルコニア系複合酸化物が開発されている。 Ceria has traditionally been used as a suitable oxygen storage material with such an OSC, and in recent years, various types of composite oxides containing ceria have been researched, with various ceria-zirconia composite oxides being developed using methods such as coprecipitation, reverse coprecipitation, hydrothermal synthesis, melting, and solid-phase methods.
例えば、特開2015-182931号公報(特許文献1)には、セリウムとジルコニウムとこれら以外の鉄、マンガン、コバルト、ニッケル、銅等の遷移金属元素とを含み、結晶構造としてパイロクロア相を含むセリア-ジルコニア系複合酸化物をいわゆる熔融法により製造する方法が開示されている。 For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2015-182931 (Patent Document 1) discloses a method for producing a ceria-zirconia composite oxide containing cerium, zirconium, and other transition metal elements such as iron, manganese, cobalt, nickel, and copper, and having a pyrochlore phase crystal structure, using a so-called melting method.
また、特開2022-59284号公報(特許文献2)には、パイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物と該パイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物に添加された鉄とを含有する酸素貯蔵材料であって、CeとZrとの合計量に対するFeの含有比率(Fe/(Ce+Zr)×100)が0.5~9at%であり、CeとZrとの総モル数に対するZrのモル分率(X=Zr/(Ce+Zr)×100)がX=40~50%であり、大気中、1100℃で加熱する前及び5時間加熱した後の、CuKαを用いたX線回折測定により得られるX線回折パターンから求められる格子定数が式:格子定数≦-7.00×10-3X+10.874で表される条件を満たすものであり、大気中、1100℃で加熱する前及び5時間加熱した後の、CuKαを用いたX線回折測定により得られるX線回折パターンから求められる2θ=14.5°付近の回折線と2θ=29°付近の回折線との強度比〔I(14/29)値〕が式:I(14/29)値≦2.36×10-3X-0.072で表される条件を満たす酸素貯蔵材料が開示されている。 Furthermore, Japanese Patent Laid-Open No. 2022-59284 (Patent Document 2) describes an oxygen storage material containing a pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide and iron added to the pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide, in which the content ratio of Fe to the total amount of Ce and Zr (Fe/(Ce+Zr)×100) is 0.5 to 9 at %, the molar fraction of Zr to the total number of moles of Ce and Zr (X=Zr/(Ce+Zr)×100) is X=40 to 50%, and the lattice constant calculated from the X-ray diffraction pattern obtained by X-ray diffraction measurement using CuKα before and after heating at 1100° C. in air for 5 hours satisfies the formula: lattice constant≦−7.00× 10 X+10.874, and the intensity ratio [I(14/29) value] between the diffraction line near 2θ=14.5° and the diffraction line near 2θ=29°, as determined from X-ray diffraction patterns obtained by X-ray diffraction measurement using CuKα before and after heating at 1100°C in air for 5 hours, satisfies the condition expressed by the formula: I(14/29) value≦2.36×10 −3 X−0.072.
しかしながら、近年は、排ガス浄化用触媒に対する要求特性が益々高まっており、使用初期だけでなく、1100℃程度という高温の排ガスに長時間曝された後においても、250℃という低温において優れた酸素貯蔵能(OSC)を発現できる酸素貯蔵材料が求められるようになっており、特許文献1~2に記載のような従来の酸素貯蔵材料では必ずしも十分なものではなかった。 However, in recent years, the required characteristics of exhaust gas purification catalysts have been increasing, and there is a need for oxygen storage materials that can exhibit excellent oxygen storage capacity (OSC) at low temperatures of 250°C, not only at the initial stage of use but also after prolonged exposure to high-temperature exhaust gases of around 1100°C. Conventional oxygen storage materials such as those described in Patent Documents 1 and 2 have not necessarily been sufficient.
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、使用初期だけでなく、1100℃程度という高温の排ガスに長時間曝された後においても、250℃という低温において優れた酸素貯蔵能(OSC)を発現することが可能な酸素貯蔵材料、及びその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention was made in consideration of the problems inherent in the prior art described above, and aims to provide an oxygen storage material that can exhibit excellent oxygen storage capacity (OSC) at a low temperature of 250°C, not only in the initial stage of use but also after prolonged exposure to high-temperature exhaust gases at approximately 1100°C, as well as a method for producing the same.
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、パイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物に添加する元素としてスカンジウムとプラセオジム又はランタンとを併用し、かつ、セリウムの含有量、プラセオジム又はランタンの含有量、スカンジウムの含有量、並びにセリウムとジルコニウムの原子比を所定の範囲内に調整したスカンジウム含有セリア-ジルコニア固溶体粉末を所定の圧力で加圧成形した後に所定の高温条件で還元処理し、さらに酸化処理することにより、1100℃程度という高温の排ガスに曝される前及び長時間曝された後のいずれにおいても、パイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物にスカンジウムとプラセオジム又はランタンとが十分に固溶した複合酸化物が得られ、このスカンジウムとプラセオジム又はランタンとを含有するパイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物が、使用初期だけでなく、1100℃程度という高温の排ガスに長時間曝された後においても、250℃という低温において優れた酸素貯蔵能(OSC)を発現できることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of extensive research conducted by the inventors to achieve the above-mentioned objective, it was discovered that a scandium-containing ceria-zirconia solid solution powder was produced by using scandium in combination with praseodymium or lanthanum as an element added to a pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide, and adjusting the cerium content, praseodymium or lanthanum content, scandium content, and atomic ratio of cerium to zirconium within a predetermined range. The powder was then pressed under a predetermined pressure, reduced under predetermined high-temperature conditions, and then oxidized. This resulted in a high-temperature powder of approximately 1100°C. The researchers discovered that a composite oxide in which scandium and praseodymium or lanthanum are sufficiently dissolved in a pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide can be obtained both before and after exposure to exhaust gases for an extended period of time, and that this pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide containing scandium and praseodymium or lanthanum exhibits excellent oxygen storage capacity (OSC) at a low temperature of 250°C, not only in the initial stage of use but also after long-term exposure to exhaust gases at high temperatures of around 1100°C, leading to the completion of the present invention.
すなわち、本発明は以下の態様を提供する。 That is, the present invention provides the following aspects:
[1]スカンジウム(Sc)とプラセオジム(Pr)又はランタン(La)とを含有するパイロクロア型セリア(CeO2)-ジルコニア(ZrO2)系複合酸化物を含有し、
前記パイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物中の全カチオンに対して、
Ceの含有量が43~49at%であり、
Pr又はLaの含有量が0.5~4.9at%であり、
Scの含有量が0.5~4.9at%であり、
CeとZrとの原子比(Ce/Zr)が45/55~51/49である、酸素貯蔵材料。
[1] A pyrochlore-type ceria (CeO 2 )-zirconia (ZrO 2 ) composite oxide containing scandium (Sc) and praseodymium (Pr) or lanthanum (La),
With respect to all cations in the pyrochlore-type ceria-zirconia-based composite oxide,
The Ce content is 43 to 49 at%;
The content of Pr or La is 0.5 to 4.9 at%;
The Sc content is 0.5 to 4.9 at%;
An oxygen storage material having an atomic ratio of Ce to Zr (Ce/Zr) of 45/55 to 51/49.
[2]Sc及びPr又はLaのうちの少なくとも一部が前記パイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物に固溶している、[1]に記載の酸素貯蔵材料。 [2] The oxygen storage material described in [1], in which at least a portion of Sc and Pr or La is solid-solved in the pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide.
[3]Scの少なくとも一部が前記パイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物中のZrサイトに置換し、Pr又はLaの少なくとも一部が前記パイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物中のCeサイトに置換している、[1]又は[2]に記載の酸素貯蔵材料。 [3] The oxygen storage material described in [1] or [2], wherein at least a portion of Sc substitutes for Zr sites in the pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide, and at least a portion of Pr or La substitutes for Ce sites in the pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide.
[4]エネルギー分散型X線分析により得られる元素マッピング像におけるSc分布図、Pr又はLa分布図、Ce分布図及びSc分布図に基づいて算出されるゼロ平均正規化相関(ZNCC)の係数値[Sc-Zr]、[Sc-Ce]、[MPL-Ce]及び[MPL-Zr]が下記式(1)及び(2):
[Sc-Zr]-[Sc-Ce]>0.000 (1)
[MPL-Ce]-[MPL-Zr]>0.028 (2)
(前記式中、[Sc-Zr]はSc分布図とZr分布図とのZNCC係数値を表し、[Sc-Ce]はSc分布図とCe分布図とのZNCC係数値を表し、[MPL-Ce]はPr又はLa分布図とCe分布図とのZNCC係数値を表し、[MPL-Zr]はPr又はLa分布図とZr分布図とのZNCC係数値を表す。)
で表される条件を満たす、[1]~[3]のうちのいずれか1項に記載の酸素貯蔵材料。
[4] The zero-mean normalized correlation coefficient (ZNCC) values [Sc-Zr], [Sc-Ce], [M PL-Ce], and [M PL -Zr] calculated based on the Sc distribution map, Pr or La distribution map, and Ce distribution map in an element mapping image obtained by energy dispersive X -ray analysis are expressed by the following formulas (1) and (2):
[Sc-Zr]-[Sc-Ce]>0.000 (1)
[M PL -Ce] - [M PL -Zr]>0.028 (2)
(In the above formula, [Sc-Zr] represents the ZNCC coefficient value between the Sc distribution map and the Zr distribution map, [Sc-Ce] represents the ZNCC coefficient value between the Sc distribution map and the Ce distribution map, [M PL -Ce] represents the ZNCC coefficient value between the Pr or La distribution map and the Ce distribution map, and [M PL -Zr] represents the ZNCC coefficient value between the Pr or La distribution map and the Zr distribution map.)
The oxygen storage material according to any one of [1] to [3], which satisfies the condition represented by the following formula:
[5]スカンジウム(Sc)とプラセオジム(Pr)又はランタン(La)とを含有するパイロクロア型セリア(CeO2)-ジルコニア(ZrO2)系複合酸化物を含有する酸素貯蔵材料の製造方法であって、
全カチオンに対して、Ceの含有量が43~49at%であり、Pr又はLaの含有量が0.5~4.9at%であり、Scの含有量が0.5~4.9at%であり、CeとZrとの原子比(Ce/Zr)が45/55~51/49である、スカンジウムとプラセオジム又はランタンとを含有するセリア-ジルコニア系固溶体粉末を準備する工程と、
前記スカンジウムとプラセオジム又はランタンとを含有するセリア-ジルコニア系固溶体粉末を30~350MPaの圧力で加圧成形した後、1400~2000℃の温度条件で還元処理し、さらに酸化処理して請求項1に記載のスカンジウムとプラセオジム又はランタンとを含有するパイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物を含有する酸素貯蔵材料を得る工程と、
を含む、酸素貯蔵材料の製造方法。
[5] A method for producing an oxygen storage material containing a pyrochlore-type ceria (CeO 2 )-zirconia (ZrO 2 ) composite oxide containing scandium (Sc) and praseodymium (Pr) or lanthanum (La), comprising:
a step of preparing a ceria-zirconia-based solid solution powder containing scandium and praseodymium or lanthanum, wherein the Ce content is 43 to 49 at%, the Pr or La content is 0.5 to 4.9 at%, the Sc content is 0.5 to 4.9 at%, and the atomic ratio of Ce to Zr (Ce/Zr) is 45/55 to 51/49, relative to all cations;
a step of compacting the ceria-zirconia solid solution powder containing scandium and praseodymium or lanthanum at a pressure of 30 to 350 MPa, reducing the powder at a temperature of 1400 to 2000°C, and then oxidizing the powder to obtain an oxygen storage material containing the pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide containing scandium and praseodymium or lanthanum according to claim 1;
A method for producing an oxygen storage material, comprising:
なお、本発明の酸素貯蔵材料が、使用初期だけでなく、1100℃程度という高温の排ガスに長時間曝された後においても、250℃という低温において優れたOSCを発現できる理由は必ずしも定かではないが、本発明者らは以下のように推察する。すなわち、本発明の酸素貯蔵材料を構成するスカンジウムとプラセオジム又はランタンとを含有するパイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物におけるCeO2-ZrO2の超格子構造は、気相中の酸素分圧に応じてパイロクロア相(Ce2Zr2O7)とκ相(Ce2Zr2O8)との間で相変化を行い、OSCを発現する。Sc3+のイオン半径はZr4+のイオン半径に近いため、本発明にかかるスカンジウムとプラセオジム又はランタンとを含有するパイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物においては、Scイオンが選択的にZrサイトと置換していると考えられる。ZrサイトがScイオンで置換された場合、耐熱性を確保しつつ、電荷補償により生成する酸素欠陥を含む状態の超格子構造がより安定化されると推察される。また、Pr3+又はLa3+のイオン半径はCe3+のイオン半径に近いため、本発明にかかるスカンジウムとプラセオジム又はランタンとを含有するパイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物においては、Prイオン又はLaイオンが選択的にCeサイトと置換していると考えられる。CeサイトがPrイオン又はLaイオンで置換された場合、1100℃程度という高温の排ガスに長時間曝された場合であっても、パイロクロア構造の劣化が抑制されると推察される。そして、これらの理由により、本発明の酸素貯蔵材料は、1100℃程度という高温の排ガスに長時間曝された後においても、250℃という低温において優れたOSCを発現できると推察される。 While the reason why the oxygen storage material of the present invention can exhibit an excellent OSC at a low temperature of 250°C, not only at the initial stage of use but also after long-term exposure to high-temperature exhaust gases at approximately 1100°C, is not entirely clear, the inventors speculate as follows : The CeO2 - ZrO2 superlattice structure in the pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide containing scandium and praseodymium or lanthanum that constitutes the oxygen storage material of the present invention undergoes a phase change between the pyrochlore phase ( Ce2Zr2O7 ) and the κ phase ( Ce2Zr2O8 ) depending on the oxygen partial pressure in the gas phase, thereby exhibiting OSC. Because the ionic radius of Sc3 + is close to that of Zr4 + , it is believed that Sc ions selectively substitute for Zr sites in the pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide containing scandium and praseodymium or lanthanum according to the present invention. When Zr sites are substituted with Sc ions, it is presumed that the superlattice structure containing oxygen vacancies generated by charge compensation is more stabilized while maintaining heat resistance. Furthermore, since the ionic radius of Pr 3+ or La 3+ is close to that of Ce 3+ , it is believed that Pr ions or La ions selectively substitute for Ce sites in the pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide containing scandium and praseodymium or lanthanum according to the present invention. It is presumed that when Ce sites are substituted with Pr ions or La ions, degradation of the pyrochlore structure is suppressed even after prolonged exposure to high-temperature exhaust gases of approximately 1100°C. For these reasons, it is presumed that the oxygen storage material of the present invention can exhibit an excellent OSC at a low temperature of 250°C, even after prolonged exposure to high-temperature exhaust gases of approximately 1100°C.
本発明によれば、使用初期だけでなく、1100℃程度という高温の排ガスに長時間曝された後においても、250℃という低温において優れた酸素貯蔵能(OSC)を発現できる酸素貯蔵材料を得ることが可能となる。 The present invention makes it possible to obtain an oxygen storage material that exhibits excellent oxygen storage capacity (OSC) at temperatures as low as 250°C, not only in the initial stage of use but also after prolonged exposure to high-temperature exhaust gases at approximately 1100°C.
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。 The present invention will be described in detail below based on its preferred embodiments.
先ず、本発明の酸素貯蔵材料について説明する。本発明の酸素貯蔵材料は、スカンジウム(Sc)とプラセオジム(Pr)又はランタン(La)とを含有するパイロクロア型セリア(CeO2)-ジルコニア(ZrO2)系複合酸化物を含有するものであり、
前記パイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物中の全カチオンに対して、
Ceの含有量が43~49at%であり、
Pr又はLaの含有量が0.5~4.9at%であり、
Scの含有量が0.5~4.9at%であり、
CeとZrとの原子比(Ce/Zr)が45/55~51/49である。
First, the oxygen storage material of the present invention will be described. The oxygen storage material of the present invention contains a pyrochlore-type ceria (CeO 2 )-zirconia (ZrO 2 ) composite oxide containing scandium (Sc) and praseodymium (Pr) or lanthanum (La),
With respect to all cations in the pyrochlore-type ceria-zirconia-based composite oxide,
The Ce content is 43 to 49 at%;
The content of Pr or La is 0.5 to 4.9 at%;
The Sc content is 0.5 to 4.9 at%;
The atomic ratio of Ce to Zr (Ce/Zr) is 45/55 to 51/49.
本発明の酸素貯蔵材料は、CeとZrとが規則的に配列している超格子構造を有するセリア-ジルコニア系複合酸化物(以下、「パイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物」という)を含むものである。このようなパイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物を含む酸素貯蔵材料は、蛍石構造を有するセリア-ジルコニア系複合酸化物よりもバルク内の酸素拡散速度が大きいため、酸素貯蔵能(OSC)に優れている。なお、CuKα線を用いたX線回折測定において超格子構造に由来するピーク(2θ=14.0°~16.0°に現れるピーク)の存在を認識することによって、セリア-ジルコニア系複合酸化物が超格子構造を有するパイロクロア型であることを確認することができる。 The oxygen storage material of the present invention contains a ceria-zirconia composite oxide (hereinafter referred to as a "pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide") having a superlattice structure in which Ce and Zr are regularly arranged. Oxygen storage materials containing such pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxides have a higher oxygen diffusion rate within the bulk than ceria-zirconia composite oxides with a fluorite structure, and therefore have excellent oxygen storage capacity (OSC). Furthermore, by recognizing the presence of peaks (peaks appearing at 2θ = 14.0° to 16.0°) attributable to the superlattice structure in X-ray diffraction measurements using CuKα radiation, it can be confirmed that the ceria-zirconia composite oxide is a pyrochlore-type having a superlattice structure.
本発明の酸素貯蔵材料においては、前記パイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物中の全カチオンに対して、Ceの含有量が43~49at%であることが必要であり、44~49at%であることが好ましく、46~49at%であることがより好ましい。Ce含有量が前記下限未満になると、発現可能なOSC容量が低下し、他方、Ce含有量が前記上限を超えると、高温に晒された際、CeO2が分相して超格子構造が崩れ、OSCが低下する。 In the oxygen storage material of the present invention, the Ce content relative to all cations in the pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide must be 43 to 49 at%, preferably 44 to 49 at%, and more preferably 46 to 49 at%. If the Ce content is below the lower limit, the OSC capacity that can be achieved decreases. On the other hand, if the Ce content exceeds the upper limit, CeO2 undergoes phase separation when exposed to high temperatures, causing the superlattice structure to collapse and reducing the OSC.
また、本発明の酸素貯蔵材料においては、前記パイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物中の全カチオンに対して、Pr又はLaの含有量が0.5~4.9at%であることが必要であり、1.0~2.5at%であることが好ましい。Pr又はLa含有量が前記下限未満になると、耐熱性が低下し、他方、Pr又はLa含有量が前記上限を超えると、低温でのOSCが低下する。 In addition, in the oxygen storage material of the present invention, the Pr or La content relative to all cations in the pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide must be 0.5 to 4.9 at% and preferably 1.0 to 2.5 at%. If the Pr or La content is below the lower limit, heat resistance decreases, while if the Pr or La content exceeds the upper limit, the OSC at low temperatures decreases.
さらに、本発明の酸素貯蔵材料においては、前記パイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物中の全カチオンに対して、Scの含有量が0.5~4.9at%であることが必要であり、1.0~2.5at%であることが好ましい。Sc含有量が前記下限未満になると、低温でのOSCを向上させる効果が低下し、他方、Sc含有量が前記上限を超えると、耐熱性が低下する。 Furthermore, in the oxygen storage material of the present invention, the Sc content relative to all cations in the pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide must be 0.5 to 4.9 at% and preferably 1.0 to 2.5 at%. If the Sc content is below the lower limit, the effect of improving the OSC at low temperatures decreases, while if the Sc content exceeds the upper limit, heat resistance decreases.
また、本発明の酸素貯蔵材料においては、CeとZrとの原子比(Ce/Zr)が45/55~51/49であることが必要であり、46/54~50/50であることが好ましい。Ce/Zrが前記下限未満になると、発現可能なOSC容量が低下し、他方、Ce/Zrが前記上限を超えると、高温に晒された際、CeO2が分相して超格子構造が崩れ、OSCが低下する。 Furthermore, in the oxygen storage material of the present invention, the atomic ratio of Ce to Zr (Ce/Zr) must be 45/55 to 51/49, and preferably 46/54 to 50/50. If the Ce/Zr ratio is below the lower limit, the OSC capacity that can be achieved decreases, while if the Ce/Zr ratio exceeds the upper limit, CeO2 undergoes phase separation when exposed to high temperatures, causing the superlattice structure to collapse and reducing the OSC.
さらに、本発明の酸素貯蔵材料においては、Sc及びPr又はLaのうちの少なくとも一部が前記パイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物に固溶していることが好ましく、Scの少なくとも一部が前記パイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物中のZrサイトに置換し、Pr又はLaの少なくとも一部が前記パイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物中のCeサイトに置換していることがより好ましい。これらにより、耐熱性及び低温でのOSCが向上する。一方、Sc及びPr又はLaが前記パイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物に固溶していない場合や、Scが前記パイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物中のZrサイトに置換していない場合、Pr又はLaが前記パイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物中のCeサイトに置換していない場合には、耐熱性及び低温でのOSCが十分に向上しない。 Furthermore, in the oxygen storage material of the present invention, it is preferable that at least a portion of Sc and Pr or La is solid-solved in the pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide, and it is more preferable that at least a portion of Sc is substituted at the Zr site in the pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide, and at least a portion of Pr or La is substituted at the Ce site in the pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide. This improves heat resistance and low-temperature OSC. On the other hand, if Sc and Pr or La are not solid-solved in the pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide, if Sc is not substituted at the Zr site in the pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide, or if Pr or La is not substituted at the Ce site in the pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide, heat resistance and low-temperature OSC are not sufficiently improved.
なお、パイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物にSc及びPr又はLaを添加しても、いわゆる固相合成法、含浸法といった方法ではパイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物にSc及びPr又はLaを十分に固溶させることが困難であるため、Scの添加及びPr又はLaの添加は、耐熱性及び低温でのOSCの向上に寄与しないのに対し、本発明においては、後述する本発明の製造方法によって、従来は得ることができなかったSc及びPr又はLaが十分に固溶したパイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物を得ることができ、耐熱性及び低温でのOSCの向上を達成することが可能となる。 It should be noted that even if Sc and Pr or La are added to a pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide, it is difficult to form a sufficient solid solution of Sc and Pr or La in the pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide by methods such as so-called solid-phase synthesis and impregnation , and therefore the addition of Sc and Pr or La does not contribute to improving the heat resistance and OSC at low temperatures. In contrast, in the present invention, by the production method of the present invention described below, it is possible to obtain a pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide in which Sc and Pr or La are sufficiently solid-solved, which was not possible to obtain in the past, and it becomes possible to achieve improvements in the heat resistance and the OSC at low temperatures.
また、本発明の酸素貯蔵材料においては、エネルギー分散型X線分析(EDX)により得られる元素マッピング像(EDX元素マッピング像)におけるSc分布図、Pr又はLa分布図、Ce分布図及びSc分布図に基づいて算出されるゼロ平均正規化相関(ZNCC:Zero-means Normarized Cross-Correlation)の係数値[Sc-Zr]、[Sc-Ce]、[MPL-Ce]及び[MPL-Zr]が下記式(1)及び(2):
[Sc-Zr]-[Sc-Ce]>0.000 (1)
[MPL-Ce]-[MPL-Zr]>0.028 (2)
(前記式中、[Sc-Zr]はSc分布図とZr分布図とのZNCC係数値を表し、[Sc-Ce]はSc分布図とCe分布図とのZNCC係数値を表し、[MPL-Ce]はPr又はLa分布図とCe分布図とのZNCC係数値を表し、[MPL-Zr]はPr又はLa分布図とZr分布図とのZNCC係数値を表す。)
で表される条件を満たすことが好ましい。ZNCC係数値の差分[Sc-Zr]-[Sc-Ce]及び[MPL-Ce]-[MPL-Zr]が前記式(1)及び(2)で表される条件を満たす酸素貯蔵材料は、ScがZrサイトに十分に置換し、かつ、Pr又はLaがCeサイトに十分に置換しているため、耐熱性及び低温でのOSCに優れている。
In the oxygen storage material of the present invention, the coefficient values [Sc-Zr], [Sc-Ce], [M PL-Ce], and [M PL-Zr] of zero-means normalized cross-correlation (ZNCC) calculated based on an Sc distribution map, a Pr or La distribution map, a Ce distribution map, and an Sc distribution map in an element mapping image (EDX element mapping image) obtained by energy dispersive X -ray analysis ( EDX ) are expressed by the following formulas (1) and (2):
[Sc-Zr]-[Sc-Ce]>0.000 (1)
[M PL -Ce] - [M PL -Zr]>0.028 (2)
(In the above formula, [Sc-Zr] represents the ZNCC coefficient value between the Sc distribution map and the Zr distribution map, [Sc-Ce] represents the ZNCC coefficient value between the Sc distribution map and the Ce distribution map, [M PL -Ce] represents the ZNCC coefficient value between the Pr or La distribution map and the Ce distribution map, and [M PL -Zr] represents the ZNCC coefficient value between the Pr or La distribution map and the Zr distribution map.)
An oxygen storage material in which the differences in ZNCC coefficient values, [Sc-Zr]-[Sc-Ce] and [M PL -Ce]-[M PL -Zr], satisfy the conditions expressed by the formulas (1) and (2) has Sc sufficiently substituted at the Zr site and Pr or La sufficiently substituted at the Ce site, and therefore has excellent heat resistance and low-temperature OSC.
なお、前記EDX元素マッピング像は、例えば、エネルギー分散型X線分析装置を備える走査透過型電子顕微鏡を用い、視野倍率:4.8×107倍の条件でEDX分析を行うことによって得ることができる。 The EDX elemental mapping image can be obtained by, for example, performing EDX analysis using a scanning transmission electron microscope equipped with an energy dispersive X-ray analyzer under the condition of a field magnification of 4.8×10 7 times.
また、前記ZNCC係数値[Sc-Zr]、[Sc-Ce]、[MPL-Ce]及び[MPL-Zr]は、前記EDX元素マッピング像における比較画像(前記Sc、Pr又はLa分布図)及び基準画像(前記Ce又はZr分布図)に基づいて、下記式(3): The ZNCC coefficient values [Sc-Zr], [Sc-Ce], [M PL -Ce], and [M PL -Zr] are calculated based on the comparison image (the Sc, Pr, or La distribution map) and the reference image (the Ce or Zr distribution map) in the EDX element mapping image, using the following formula (3):
〔前記式中、ZNCCはゼロ平均正規化相互相関(ZNCC)の係数値を表し、I(i,j)は比較画像(前記Sc、Pr又はLa分布図)における横方向にi番目かつ縦方向にj番目のピクセルの輝度値を表し、Iaveは前記比較画像における平均輝度値を表し、T(i,j)は基準画像(前記Ce又はZr分布図)における横方向にi番目かつ縦方向にj番目のピクセルの輝度値を表し、Taveは前記基準画像における平均輝度値を表す。〕
により求めることができる。具体的には、比較画像(前記Sc、Pr又はLa分布図)と基準画像(前記Ce又はZr分布図)のZNCC係数値を、画像処理ソフトウェアImageJ又はMatlabを用いて算出することができる。
(In the above formula, ZNCC represents the coefficient value of zero-mean normalized cross-correlation (ZNCC), I(i, j) represents the luminance value of the ith pixel in the horizontal direction and the jth pixel in the vertical direction in the comparison image (the Sc, Pr, or La distribution map), I ave represents the average luminance value in the comparison image, T(i, j) represents the luminance value of the ith pixel in the horizontal direction and the jth pixel in the vertical direction in the reference image (the Ce or Zr distribution map), and T ave represents the average luminance value in the reference image.)
Specifically, the ZNCC coefficient values of the comparison image (the Sc, Pr, or La distribution map) and the reference image (the Ce or Zr distribution map) can be calculated using image processing software ImageJ or Matlab.
このようにして求められるZNCC係数値は、比較画像(前記Sc、Pr又はLa分布図)と基準画像(前記Ce又はZr分布図)とが完全に一致する場合には、ZNCC=1.0となり、完全に相反する場合には、ZNCC=-1.0となる。例えば、Sc分布図とZr分布図とを対比し、ScがZrサイトに存在する場合(すなわち、ZrサイトがScで置換されている場合)には、ZNCC係数値[Sc-Zr]は正であり、かつ、1.0以下となる。 The ZNCC coefficient value calculated in this way is ZNCC = 1.0 when the comparison image (the Sc, Pr, or La distribution map) and the reference image (the Ce or Zr distribution map) are completely identical, and ZNCC = -1.0 when they are completely contradictory. For example, when comparing the Sc distribution map with the Zr distribution map, if Sc is present in the Zr site (i.e., if the Zr site is substituted with Sc), the ZNCC coefficient value [Sc - Zr] will be positive and less than 1.0.
本発明の酸素貯蔵材料において、セリア-ジルコニア系複合酸化物はパイロクロア型であり、結晶格子中のカチオンサイトはZrサイトとCeサイトに二分される。このようなパイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物にScが固溶し、ScがZrサイトに置換した場合には、前記ZNCC係数値[Sc-Zr]は正となる。また、ScがCeサイトに存在しない場合には、前記ZNCC係数値[Sc-Ce]は負となる。したがって、前記ZNCC係数値の差分([Sc-Zr]-[Sc-Ce])は、ScがZrサイトに選択的に置換しているか否かを示す指標とすることができ、[Sc-Zr]-[Sc-Ce]が大きいほど、ScがZrサイトに選択的に置換していることを意味する。同様に、パイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物にPr又はLaが固溶し、Pr又はLaがCeサイトに置換した場合には、前記ZNCC係数値[MPL-Ce]は正となる。また、Pr又はLaがZrサイトに存在しない場合には、前記ZNCC係数値[MPL-Zr]は負となる。したがって、前記ZNCC係数値の差分([MPL-Ce]-[MPL-Zr])は、Pr又はLaがCeサイトに選択的に置換しているか否かを示す指標とすることができ、MPL-Ce]-[MPL-Zr]が大きいほど、Pr又はLaがCeサイトに選択的に置換していることを意味する。 In the oxygen storage material of the present invention, the ceria-zirconia composite oxide is a pyrochlore type, and the cation sites in the crystal lattice are divided into Zr sites and Ce sites. When Sc is dissolved in such a pyrochlore type ceria-zirconia composite oxide and Sc is substituted at the Zr site, the ZNCC coefficient value [Sc - Zr] becomes positive. When Sc is not present at the Ce site, the ZNCC coefficient value [Sc - Ce] becomes negative. Therefore, the difference in the ZNCC coefficient values ([Sc - Zr] - [Sc - Ce]) can be used as an indicator of whether Sc is selectively substituted at the Zr site. The larger the [Sc - Zr] - [Sc - Ce], the more selectively Sc is substituted at the Zr site. Similarly, when Pr or La is dissolved in a pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide and Pr or La is substituted at the Ce site, the ZNCC coefficient value [M PL - Ce] becomes positive. Furthermore, when Pr or La is not present at the Zr site, the ZNCC coefficient value [M PL - Zr] becomes negative. Therefore, the difference in the ZNCC coefficient values ([M PL - Ce] - [M PL - Zr]) can be used as an index showing whether Pr or La is selectively substituted at the Ce site, and the larger the value of [M PL - Ce] - [M PL - Zr], the more selectively Pr or La is substituted at the Ce site.
したがって、本発明の酸素貯蔵材料においては、ScがZrサイトに、Pr又はLaがCeサイトに更に選択的に置換しており、耐熱性及び低温でのOSCが更に向上するという観点から、前記ZNCC係数値[Sc-Zr]、[Sc-Ce]、[MPL-Ce]及び[MPL-Zr]が、下記式(1A)及び(2A):
[Sc-Zr]-[Sc-Ce]>0.010 (1A)
[MPL-Ce]-[MPL-Zr]>0.100 (2A)
で表される条件と満たすことが好ましく、下記式(1B)及び(2B):
[Sc-Zr]-[Sc-Ce]>0.020 (1B)
[MPL-Ce]-[MPL-Zr]>0.120 (2B)
で表される条件と満たすことがより好ましい。
Therefore, in the oxygen storage material of the present invention, Sc is further selectively substituted at the Zr site, and Pr or La is further selectively substituted at the Ce site, and from the viewpoint of further improving the heat resistance and the OSC at low temperatures, the ZNCC coefficient values [Sc-Zr], [Sc-Ce], [M PL -Ce], and [M PL -Zr] are expressed by the following formulas (1A) and (2A):
[Sc-Zr]-[Sc-Ce]>0.010 (1A)
[M PL -Ce]-[M PL -Zr]>0.100 (2A)
It is preferable that the conditions represented by the following formulas (1B) and (2B):
[Sc-Zr]-[Sc-Ce]>0.020 (1B)
[M PL -Ce]-[M PL -Zr]>0.120 (2B)
It is more preferable that the condition expressed by the following expression is satisfied.
本発明の酸素貯蔵材料の平均結晶子径は、0.1~10μmであることが好ましく、0.2~5μmであることがより好ましい。酸素貯蔵材料の平均結晶子径が前記下限未満になると、1100℃程度という高温の排ガスに長時間曝された後において、超格子構造が維持されにくくなる傾向にあり、他方、前記上限を超えると、OSCの向上効果が十分に得られにくくなる傾向にある。なお、このような平均結晶子径は、CuKαを用いたX線回折測定により得られるX線回折パターンから求められる2θ=29°付近の回折線の半値幅を用い、市販の解析ソフト(例えば、Materials Data社製「JADE」)を用いてシェラー式に基づいて算出することができる。 The average crystallite size of the oxygen storage material of the present invention is preferably 0.1 to 10 μm, and more preferably 0.2 to 5 μm. If the average crystallite size of the oxygen storage material is below the lower limit, the superlattice structure tends to be difficult to maintain after prolonged exposure to high-temperature exhaust gases at approximately 1100°C. On the other hand, if the average crystallite size exceeds the upper limit, the OSC improvement effect tends to be difficult to achieve. Note that this average crystallite size can be calculated based on the Scherrer equation using commercially available analysis software (e.g., "JADE" manufactured by Materials Data) and the half-width of the diffraction line near 2θ = 29° obtained from the X-ray diffraction pattern obtained by X-ray diffraction measurement using CuKα.
また、本発明の酸素貯蔵材料の比表面積としては特に制限されないが、0.01~20m2/gであることが好ましく、0.05~10m2/gであることがより好ましく、0.1~5m2/gであることが更により好ましい。酸素貯蔵材料の比表面積が前記下限未満になると、酸素貯蔵能が小さくなる傾向にあり、他方、前記上限を超えると、粒子径が小さな粒子が増加し、耐熱性が低下する傾向にある。なお、このような比表面積は吸着等温線からBET等温吸着式を用いてBET比表面積として算出することができる。 Furthermore, the specific surface area of the oxygen storage material of the present invention is not particularly limited, but is preferably 0.01 to 20 m 2 /g, more preferably 0.05 to 10 m 2 /g, and even more preferably 0.1 to 5 m 2 /g. If the specific surface area of the oxygen storage material is below the lower limit, the oxygen storage capacity tends to decrease, while if it exceeds the upper limit, the number of particles with small particle diameters increases, and heat resistance tends to decrease. Note that this specific surface area can be calculated as the BET specific surface area from the adsorption isotherm using the BET isothermal adsorption equation.
さらに、本発明の酸素貯蔵材料においては、セリウム、スカンジウム、プラセオジム及びランタン以外の希土類元素並びにアルカリ土類元素からなる群から選択される少なくとも一種の元素を更に含有していてもよい。このような元素を含有させることで、本発明の酸素貯蔵材料を排ガス浄化用触媒の担体として用いた場合に、より高い排ガス浄化能が発揮される傾向にある。このようなセリウム、スカンジウム、プラセオジム及びランタン以外の希土類元素としては、イットリウム(Y)、ネオジム(Nd)、サマリウム(Sm)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、イッテルビウム(Yb)、ルテチウム(Lu)等が挙げられ、中でも、超格子構造を安定化させる傾向にあるという観点から、Nd、Yが好ましい。また、アルカリ土類金属元素としては、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)、ラジウム(Ra)が挙げられ、中でも、超格子構造を安定化させる傾向にあるという観点から、Mg、Ca、Baが好ましい。 Furthermore, the oxygen storage material of the present invention may further contain at least one element selected from the group consisting of rare earth elements other than cerium, scandium, praseodymium, and lanthanum, and alkaline earth elements. By incorporating such an element, the oxygen storage material of the present invention tends to exhibit higher exhaust gas purification capabilities when used as a support for an exhaust gas purification catalyst. Examples of such rare earth elements other than cerium, scandium, praseodymium, and lanthanum include yttrium (Y), neodymium (Nd), samarium (Sm), gadolinium (Gd), terbium (Tb), dysprosium (Dy), ytterbium (Yb), and lutetium (Lu). Among these, Nd and Y are preferred because they tend to stabilize the superlattice structure. Furthermore, examples of alkaline earth metal elements include magnesium (Mg), calcium (Ca), strontium (Sr), barium (Ba), and radium (Ra), with Mg, Ca, and Ba being preferred from the viewpoint of their tendency to stabilize the superlattice structure.
セリウム、スカンジウム、プラセオジム及びランタン以外の希土類元素並びにアルカリ土類元素からなる群から選択される少なくとも一種の元素を更に含有する場合においては、前記元素の含有量が、前記パイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物中の全カチオンに対して、0.5~20at%であることが好ましく、1~10at%であることがより好ましい。このような元素の含有量が前記下限未満になると、超格子構造を安定化させる作用が低下する傾向にあり、他方、前記上限を超えると、酸素貯蔵能が低下してしまう傾向にある。 When at least one element selected from the group consisting of rare earth elements other than cerium, scandium, praseodymium, and lanthanum and alkaline earth elements is further contained, the content of the element is preferably 0.5 to 20 at% and more preferably 1 to 10 at% relative to all cations in the pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide. If the content of such an element is below the lower limit, the effect of stabilizing the superlattice structure tends to decrease, while if the content exceeds the upper limit, the oxygen storage capacity tends to decrease.
本発明の酸素貯蔵材料は、前記パイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物と、このパイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物に添加されたスカンジウム及びプラセオジム又はランタンとを含有するものであり、使用初期だけでなく、1100℃程度という高温の排ガスに長時間曝された後においても、250℃という低温において優れたOSCを発現することが可能なものである。そのため、本発明の酸素貯蔵材料は、排ガス浄化触媒の担体や助触媒として好適に用いられる。このような本発明の酸素貯蔵材料を用いた好適な例としては、前記本発明の酸素貯蔵材料からなる担体と、前記担体に担持された貴金属とからなる排ガス浄化用触媒が挙げられる。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、銀等が挙げられる。また、他の例としては、他の触媒担体微粒子に貴金属が担持された排ガス浄化触媒の周囲に、前記本発明の酸素貯蔵材料を配置してなるものが挙げられる。 The oxygen storage material of the present invention contains the pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide and scandium and praseodymium or lanthanum added to the pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide. It exhibits excellent OSC at temperatures as low as 250°C, not only at the initial stage of use but also after prolonged exposure to high-temperature exhaust gases at approximately 1100°C. Therefore, the oxygen storage material of the present invention is suitable for use as a support or co-catalyst for exhaust gas purification catalysts. A suitable example of the use of the oxygen storage material of the present invention is an exhaust gas purification catalyst comprising a support made of the oxygen storage material of the present invention and a precious metal supported on the support. Examples of such precious metals include platinum, rhodium, palladium, osmium, iridium, gold, and silver. Another example is an exhaust gas purification catalyst in which the oxygen storage material of the present invention is disposed around a precious metal supported on other catalyst support particles.
次に、本発明の酸素貯蔵材料の製造方法について説明する。本発明の酸素貯蔵材料の製造方法は、スカンジウム(Sc)とプラセオジム(Pr)又はランタン(La)とを含有するパイロクロア型セリア(CeO2)-ジルコニア(ZrO2)系複合酸化物を含有する酸素貯蔵材料の製造方法であって、
全カチオンに対して、Ceの含有量が43~49at%であり、Pr又はLaの含有量が0.5~4.9at%であり、Scの含有量が0.5~4.9at%であり、CeとZrとの原子比(Ce/Zr)が45/55~51/49である、スカンジウムとプラセオジム又はランタンとを含有するセリア-ジルコニア系固溶体粉末を準備する工程(第1の工程)と、
前記スカンジウムとプラセオジム又はランタンとを含有するセリア-ジルコニア系固溶体粉末を30~350MPaの圧力で加圧成形した後、1400~2000℃の温度条件で還元処理し、さらに酸化処理して請求項1に記載のスカンジウムとプラセオジム又はランタンとを含有するパイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物を含有する酸素貯蔵材料を得る工程(第2の工程)と、
を含む方法である。
Next, a method for producing an oxygen storage material of the present invention will be described. The method for producing an oxygen storage material of the present invention is a method for producing an oxygen storage material containing a pyrochlore-type ceria (CeO 2 )-zirconia (ZrO 2 ) composite oxide containing scandium (Sc) and praseodymium (Pr) or lanthanum (La), comprising the steps of:
A step (first step) of preparing a ceria-zirconia-based solid solution powder containing scandium and praseodymium or lanthanum, wherein the Ce content is 43 to 49 at%, the Pr or La content is 0.5 to 4.9 at%, the Sc content is 0.5 to 4.9 at%, and the atomic ratio of Ce to Zr (Ce/Zr) is 45/55 to 51/49, relative to all cations;
a step (second step) of compacting the ceria-zirconia solid solution powder containing scandium and praseodymium or lanthanum at a pressure of 30 to 350 MPa, reducing the powder at a temperature of 1400 to 2000°C, and then oxidizing the powder to obtain an oxygen storage material containing the pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide containing scandium and praseodymium or lanthanum according to claim 1;
The method includes:
先ず、第1の工程において、スカンジウム(Sc)とプラセオジム(Pr)又はランタン(La)とを含有し、全カチオンに対して、Ceの含有量が43~49at%(好ましくは、44~49at%、より好ましくは、46~49at%)であり、Pr又はLaの含有量が0.5~4.9at%(好ましくは、1.0~2.5at%)であり、Scの含有量が0.5~4.9at%(好ましくは、1.0~2.5at%)であり、CeとZrとの原子比(Ce/Zr)が45/55~51/49(好ましくは、46/54~50/50)である、セリア-ジルコニア系固溶体粉末を準備する。 First, in the first step, a ceria-zirconia solid solution powder is prepared, containing scandium (Sc) and praseodymium (Pr) or lanthanum (La), with a Ce content of 43 to 49 at% (preferably 44 to 49 at%, more preferably 46 to 49 at%) relative to all cations, a Pr or La content of 0.5 to 4.9 at% (preferably 1.0 to 2.5 at%), a Sc content of 0.5 to 4.9 at% (preferably 1.0 to 2.5 at%), and an atomic ratio of Ce to Zr (Ce/Zr) of 45/55 to 51/49 (preferably 46/54 to 50/50).
前記スカンジウムとプラセオジム又はランタンとを含有するセリア-ジルコニア系固溶体粉末において、Ce含有量が前記下限未満になると、発現可能なOSC容量が低下し、他方、Ce含有量が前記上限を超えると、高温に晒された際、CeO2が分相して超格子構造が崩れ、OSCが低下する。また、前記スカンジウムとプラセオジム又はランタンとを含有するセリア-ジルコニア系固溶体粉末において、Pr又はLa含有量が前記下限未満になると、耐熱性が低下し、他方、Pr又はLa含有量が前記上限を超えると、低温でのOSCが低下する。さらに、前記スカンジウムとプラセオジム又はランタンとを含有するセリア-ジルコニア系固溶体粉末において、Sc含有量が前記下限未満になると、低温でのOSCを向上させる効果が低下し、他方、Sc含有量が前記上限を超えると、耐熱性が低下する。また、Ce/Zrが前記下限未満になると、発現可能なOSC容量が低下し、他方、Ce/Zrが前記上限を超えると、高温に晒された際、CeO2が分相して超格子構造が崩れ、OSC外低下する。 In the ceria-zirconia solid solution powder containing scandium and praseodymium or lanthanum, if the Ce content is less than the lower limit, the OSC capacity that can be developed decreases, while if the Ce content exceeds the upper limit, CeO2 undergoes phase separation when exposed to high temperatures, causing the superlattice structure to collapse and the OSC to decrease. Furthermore, in the ceria-zirconia solid solution powder containing scandium and praseodymium or lanthanum, if the Pr or La content is less than the lower limit, the heat resistance decreases, while if the Pr or La content exceeds the upper limit, the OSC at low temperatures decreases. Furthermore, in the ceria-zirconia solid solution powder containing scandium and praseodymium or lanthanum, if the Sc content is less than the lower limit, the effect of improving the OSC at low temperatures decreases, while if the Sc content exceeds the upper limit, the heat resistance decreases. Furthermore, if the Ce/Zr ratio is less than the lower limit, the OSC capacity that can be expressed decreases, while if the Ce/Zr ratio exceeds the upper limit, when exposed to high temperatures, CeO2 undergoes phase separation, the superlattice structure collapses, and the OSC decreases.
また、前記スカンジウムとプラセオジム又はランタンとを含有するセリア-ジルコニア系固溶体粉末においては、超格子構造をより十分に形成させるという観点から、セリアとジルコニアとが原子レベルで混合された固溶体を用いることが好ましい。また、このようなスカンジウムとプラセオジム又はランタンとを含有するセリア-ジルコニア系固溶体粉末としては、平均一次粒子径が2~100nm程度であることが好ましく、5~70nm程度であることがより好ましく、さらに、比表面積が1.0~100m2/gであることが好ましく、10~80m2/gであることがより好ましく、30~80m2/gであることが更により好ましい。 Furthermore, in the ceria-zirconia solid solution powder containing scandium and praseodymium or lanthanum, it is preferable to use a solid solution in which ceria and zirconia are mixed at the atomic level, from the viewpoint of more fully forming a superlattice structure. Furthermore, such a ceria-zirconia solid solution powder containing scandium and praseodymium or lanthanum preferably has an average primary particle size of about 2 to 100 nm, more preferably about 5 to 70 nm, and further preferably has a specific surface area of 1.0 to 100 m 2 /g, more preferably 10 to 80 m 2 /g, and even more preferably 30 to 80 m 2 /g.
このようなスカンジウムとプラセオジム又はランタンとを含有するセリア-ジルコニア系固溶体粉末を準備(調製)する方法は特に制限されず、例えば、いわゆる共沈法を採用して、セリウム、ジルコニウム、スカンジウム、及びプラセオジム又はランタンの含有比率が上記範囲内となるように前記固溶体粉末を製造する方法等が挙げられる。このような共沈法としては、例えば、セリウムの塩(例えば、硝酸塩)、ジルコニウムの塩(例えば、硝酸塩)、スカンジウムの塩(例えば、硝酸塩)、プラセオジムの塩(例えば、硝酸塩)又はランタンの塩(例えば、硝酸塩)を含有する水溶液を用い、アンモニアの存在下で共沈殿物を生成せしめ、得られた共沈殿物を遠心分離、洗浄した後に乾燥し、更に焼成後、ボールミル等の粉砕機を用いて粉砕することにより、前記スカンジウムとプラセオジム又はランタンとを含有するセリア-ジルコニア系固溶体粉末を得る方法が挙げられる。なお、前記セリウムの塩、前記ジルコニウムの塩、前記スカンジウムの塩、及び前記プラセオジムの塩又は前記ランタンの塩を含有する水溶液は、得られる固溶体粉末中のセリウム、ジルコニウム、スカンジウム、及びプラセオジム又はランタンの含有比率が所定の範囲内となるようにして調製する。 There are no particular limitations on the method for preparing (preparing) such a ceria-zirconia solid solution powder containing scandium and praseodymium or lanthanum, and examples include a method employing a so-called coprecipitation method to produce the solid solution powder so that the content ratios of cerium, zirconium, scandium, and praseodymium or lanthanum are within the above-mentioned ranges. Examples of such coprecipitation methods include using an aqueous solution containing a cerium salt (e.g., nitrate), a zirconium salt (e.g., nitrate), a scandium salt (e.g., nitrate), a praseodymium salt (e.g., nitrate), or a lanthanum salt (e.g., nitrate) to form a coprecipitate in the presence of ammonia, centrifuging the resulting coprecipitate, washing it, drying it, calcining it, and then pulverizing it using a mill such as a ball mill to obtain the ceria-zirconia solid solution powder containing scandium and praseodymium or lanthanum. The aqueous solution containing the cerium salt, the zirconium salt, the scandium salt, and the praseodymium salt or the lanthanum salt is prepared so that the content ratios of cerium, zirconium, scandium, and praseodymium or lanthanum in the resulting solid solution powder are within a specified range.
また、前記セリウムの塩、前記ジルコニウムの塩、前記スカンジウムの塩、及び前記プラセオジムの塩又は前記ランタンの塩を含有する水溶液には、必要に応じて、セリウム、スカンジウム、及びプラセオジム又はランタン以外の希土類元素並びにアルカリ土類元素からなる群から選択される少なくとも一種の元素の塩や、界面活性剤(例えば、ノニオン系界面活性剤)等を添加してもよい。スカンジウムとプラセオジム又はランタンとを含有するセリア-ジルコニア系固溶体粉末にセリウム、スカンジウム、及びプラセオジム又はランタン以外の希土類元素並びにアルカリ土類元素からなる群から選択される少なくとも一種の元素を含有させることで、本発明の酸素貯蔵材料を排ガス浄化用触媒の助触媒として用いた場合に、より高い排ガス浄化能が発揮される傾向にある。このようなセリウム、スカンジウム、及びプラセオジム又はランタン以外の希土類元素としては、イットリウム(Y)、ネオジム(Nd)、サマリウム(Sm)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、イッテルビウム(Yb)、ルテチウム(Lu)等が挙げられ、中でも、超格子構造を安定化させる傾向にあるという観点から、Nd、Yが好ましい。また、アルカリ土類金属元素としては、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)、ラジウム(Ra)が挙げられ、中でも、超格子構造を安定化させる傾向にあるという観点から、Mg、Ca、Baが好ましい。 Furthermore, the aqueous solution containing the cerium salt, the zirconium salt, the scandium salt, and the praseodymium salt or the lanthanum salt may optionally contain a salt of at least one element selected from the group consisting of cerium, scandium, and rare earth elements other than praseodymium or lanthanum, and alkaline earth elements, or a surfactant (e.g., a nonionic surfactant). By adding at least one element selected from the group consisting of cerium, scandium, and rare earth elements other than praseodymium or lanthanum, and alkaline earth elements, to a ceria-zirconia solid solution powder containing scandium and praseodymium or lanthanum, the oxygen storage material of the present invention tends to exhibit higher exhaust gas purification ability when used as a co-catalyst for an exhaust gas purification catalyst. Examples of rare earth elements other than cerium, scandium, and praseodymium or lanthanum include yttrium (Y), neodymium (Nd), samarium (Sm), gadolinium (Gd), terbium (Tb), dysprosium (Dy), ytterbium (Yb), and lutetium (Lu). Of these, Nd and Y are preferred because they tend to stabilize the superlattice structure. Examples of alkaline earth metal elements include magnesium (Mg), calcium (Ca), strontium (Sr), barium (Ba), and radium (Ra). Of these, Mg, Ca, and Ba are preferred because they tend to stabilize the superlattice structure.
セリウム、スカンジウム、及びプラセオジム又はランタン以外の希土類元素並びにアルカリ土類元素からなる群から選択される少なくとも一種の元素を更に含有する場合においては、前記元素の含有量が、前記スカンジウムとプラセオジム又はランタンとを含有するセリア-ジルコニア系固溶体粉末中の全カチオンに対して、0.5~20at%であることが好ましく、1~10at%であることがより好ましい。このような元素の含有量が前記下限未満になると、超格子構造を安定化させることが困難となる傾向にあり、他方、前記上限を超えると、酸素貯蔵能が低下してしまう傾向にある。 When at least one element selected from the group consisting of cerium, scandium, and rare earth elements other than praseodymium or lanthanum, and alkaline earth elements, is further contained, the content of the element is preferably 0.5 to 20 at% and more preferably 1 to 10 at% relative to all cations in the ceria-zirconia solid solution powder containing scandium and praseodymium or lanthanum. If the content of such an element is below the lower limit, it tends to be difficult to stabilize the superlattice structure, while if it exceeds the upper limit, the oxygen storage capacity tends to decrease.
次に、第2の工程において、前記スカンジウムとプラセオジム又はランタンとを含有するセリア-ジルコニア系固溶体粉末を30~350MPaの圧力(好ましくは、40~300MPaの圧力)で加圧成形する。加圧成形圧力が前記下限未満になると、粉体の二次粒子同士の接触性が向上しないため、還元処理時における結晶成長が十分に促進されず、1100℃程度という高温の排ガスに長時間曝された際の超格子構造の安定性が低下する。他方、加圧成形圧力が前記上限を超えると、還元処理時の結晶成長が進行し過ぎ、250℃という低温でのOSCが低下する傾向にある。なお、このような加圧成形の方法としては特に制限されず、静水圧プレス等の公知の加圧成形方法を適宜採用できる。 Next, in the second step, the ceria-zirconia solid solution powder containing scandium and praseodymium or lanthanum is pressure-molded at a pressure of 30 to 350 MPa (preferably, a pressure of 40 to 300 MPa). If the pressure is below the lower limit, the contact between the secondary particles of the powder is not improved, and crystal growth during the reduction treatment is not sufficiently promoted, resulting in a decrease in the stability of the superlattice structure when exposed to high-temperature exhaust gases at approximately 1100°C for a long period of time. On the other hand, if the pressure exceeds the upper limit, crystal growth during the reduction treatment tends to proceed too quickly, resulting in a decrease in OSC at low temperatures such as 250°C. There are no particular limitations on the pressure-molding method, and known pressure-molding methods such as isostatic pressing can be used as appropriate.
次に、第2の工程においては、前記加圧成形された固溶体粉末成型体に対して、還元条件下、1400~2000℃(好ましくは、1600~1900℃)の温度で0.5~24時間(好ましくは、1~10時間)加熱する還元処理を施し、さらに酸化処理を施して、本発明の酸素貯蔵材料粉末を得る。前記還元処理の温度が前記下限未満になると、結晶成長が十分に進行しないため、超格子構造の安定性が低下する。他方、前記還元処理の温度が前記上限を超えると、還元処理に要するエネルギー(例えば電力)と性能の向上とのバランスが悪くなる。また、前記還元処理の際の加熱時間が下限未満になると、超格子構造が十分に形成されにくい傾向にあり、他方、前記上限を超えると、還元処理に要するエネルギー(例えば電力)と性能の向上とのバランスが悪くなる。 Next, in the second step, the pressure-molded solid solution powder compact is subjected to a reduction treatment in which it is heated under reducing conditions at a temperature of 1400 to 2000°C (preferably 1600 to 1900°C) for 0.5 to 24 hours (preferably 1 to 10 hours), and then subjected to an oxidation treatment to obtain the oxygen storage material powder of the present invention. If the reduction temperature is below the lower limit, crystal growth does not proceed sufficiently, resulting in a decrease in the stability of the superlattice structure. On the other hand, if the reduction temperature exceeds the upper limit, the balance between the energy (e.g., power) required for the reduction treatment and the improvement in performance becomes poor. Furthermore, if the heating time during the reduction treatment is below the lower limit, the superlattice structure tends to be difficult to form sufficiently, while if the heating time exceeds the upper limit, the balance between the energy (e.g., power) required for the reduction treatment and the improvement in performance becomes poor.
前記還元処理の方法としては、還元性雰囲気下で前記固溶体粉末を所定の温度条件で加熱処理することが可能な方法であれば特に制限されず、例えば、(i)真空加熱炉内に前記固溶体粉末を設置し、真空引きした後に、炉内に還元性ガスを流入させて炉内の雰囲気を還元性雰囲気として所定の温度条件で加熱して還元処理を施す方法や、(ii)黒鉛製の炉を用いて炉内に前記固溶体粉末を設置し、真空引きした後、所定の温度条件で加熱して炉体や加熱燃料等から発生するCOやHC等の還元性ガスにより炉内の雰囲気を還元性雰囲気として還元処理を施す方法や、(iii)活性炭を充填した坩堝内に前記固溶体粉末を設置し、所定の温度条件で加熱して活性炭等から発生するCOやHC等の還元性ガスにより坩堝内の雰囲気を還元性雰囲気として還元処理を施す方法が挙げられる。 The reduction method is not particularly limited as long as it is capable of heating the solid solution powder in a reducing atmosphere at a predetermined temperature. Examples include: (i) a method in which the solid solution powder is placed in a vacuum heating furnace, evacuated, and then reduced by flowing a reducing gas into the furnace to create a reducing atmosphere and heating at a predetermined temperature; (ii) a method in which the solid solution powder is placed in a graphite furnace, evacuated, and then heated at a predetermined temperature to create a reducing atmosphere using reducing gases such as CO and HC generated from the furnace body and heating fuel; and (iii) a method in which the solid solution powder is placed in a crucible filled with activated carbon, heated at a predetermined temperature, and then reduced by flowing a reducing gas such as CO and HC generated from the activated carbon to create a reducing atmosphere.
このような還元性雰囲気を達成させるために用いる還元性ガスとしては、特に制限されず、CO、HC、H2、その他の炭化水素ガス等の還元性ガスを適宜用いることができる。また、このような還元性ガスの中でも、より高温で還元性処理をした場合に炭化ジルコニウム(ZrC)等の副生成物が生成されることを防止するという観点からは、炭素(C)を含まないものを用いることがより好ましい。このような炭素(C)を含まない還元性ガスを用いた場合には、ジルコニウム等の融点に近いより高い温度条件での還元処理が可能となるため、結晶相の構造安定性を十分に向上させることが可能となる。 The reducing gas used to achieve such a reducing atmosphere is not particularly limited, and reducing gases such as CO, HC, H2 , and other hydrocarbon gases can be used as appropriate. Among such reducing gases, it is more preferable to use one that does not contain carbon (C) from the viewpoint of preventing the generation of by-products such as zirconium carbide (ZrC) when reducing treatment is performed at higher temperatures. When such a reducing gas that does not contain carbon (C) is used, reduction treatment can be performed at higher temperatures close to the melting point of zirconium, etc., and the structural stability of the crystalline phase can be sufficiently improved.
さらに、第2の工程においては、前記還元処理の後に、酸化処理が更に施される。このような酸化処理を施すことにより、得られる前記スカンジウムとプラセオジム又はランタンとを含有するセリア-ジルコニア系複合酸化物において、還元中に失われた酸素が補填され、酸化物としての安定性が向上する。このような酸化処理の方法は特に制限されず、例えば、酸化雰囲気下(例えば、大気中)において前記スカンジウムとプラセオジム又はランタンとを含有するセリア-ジルコニア系複合酸化物を加熱処理する方法を好適に採用することができる。また、このような酸化処理の際の加熱温度の条件としては、特に制限されないが、300~800℃程度であることが好ましい。更に、前記酸化処理の際の加熱時間も特に制限されないが、0.5~5時間程度であることが好ましい。 Furthermore, in the second step, an oxidation treatment is further carried out after the reduction treatment. By carrying out such an oxidation treatment, the oxygen lost during reduction is replenished in the resulting ceria-zirconia composite oxide containing scandium and praseodymium or lanthanum, improving the stability of the oxide. The method of such an oxidation treatment is not particularly limited, and for example, a method in which the ceria-zirconia composite oxide containing scandium and praseodymium or lanthanum is heat-treated in an oxidizing atmosphere (e.g., in air) can be suitably employed. The heating temperature conditions for such an oxidation treatment are not particularly limited, but are preferably approximately 300 to 800°C. Furthermore, the heating time for the oxidation treatment is also not particularly limited, but is preferably approximately 0.5 to 5 hours.
また、第2の工程においては、前記還元処理及び/又は前記酸化処理の後に、前記スカンジウムとプラセオジム又はランタンとを含有するセリア-ジルコニア系複合酸化物に粉砕処理を更に施すことが好ましい。このような粉砕処理の方法は特に制限されず、例えば、湿式粉砕法、乾式粉砕法、凍結粉砕法等を好適に採用することができる。 Furthermore, in the second step, after the reduction treatment and/or the oxidation treatment, it is preferable to further subject the ceria-zirconia composite oxide containing scandium and praseodymium or lanthanum to a pulverization treatment. The method for such pulverization is not particularly limited, and suitable methods include, for example, wet pulverization, dry pulverization, and freeze pulverization.
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。 The present invention will be explained in more detail below based on examples and comparative examples, but the present invention is not limited to the following examples.
(実施例1)
先ず、CeO2換算で28質量%となる濃度の硝酸セリウム水溶液218.77gと、ZrO2換算で18質量%となる濃度の硝酸ジルコニウム水溶液281.54gと、純水100mlに硝酸スカンジウム4水和物6.1gを溶解した水溶液と、純水100mlに硝酸プラセオジム6水和物8.7gを溶解した水溶液とを混合し、得られた混合溶液を、25%アンモニア水162.2gを純水450mlで希釈した溶液に添加し、ホモジナイザ(アズワン株式会社製)を用いて1000rpmで10分間撹拌して共沈物を生成させた。得られた共沈物を、脱脂炉を用いて大気中、150℃で7時間乾燥した後、大気中、400℃で5時間仮焼してスカンジウムとプラセオジムとを含有するセリア-ジルコニア固溶体(Sc-Pr含有セリア-ジルコニア固溶体)を得た。その後、前記固溶体を、篩分けにより粒径が75μm以下となるように粉砕機(アズワン株式会社製「ワンダーブレンダー」)を用いて粉砕し、セリウムとジルコニウムとプラセオジムとスカンジウムの含有比率が原子比([Ce]:[Zr]:[Pr]:[Sc])で43.5:51.5:2.5:2.5であるSc-Pr含有セリア-ジルコニア固溶体粉末を得た。このSc-Pr含有セリア-ジルコニア固溶体粉末において、CeとZrとの原子比(Ce/Zr)は45.8/54.2である。
Example 1
First, 218.77 g of an aqueous cerium nitrate solution having a concentration of 28% by mass, calculated as CeO2 , 281.54 g of an aqueous zirconium nitrate solution having a concentration of 18% by mass, calculated as ZrO2 , an aqueous solution in which 6.1 g of scandium nitrate tetrahydrate was dissolved in 100 ml of pure water, and an aqueous solution in which 8.7 g of praseodymium nitrate hexahydrate was dissolved in 100 ml of pure water were mixed together. The resulting mixed solution was added to a solution in which 162.2 g of 25% aqueous ammonia was diluted with 450 ml of pure water, and the mixture was stirred at 1,000 rpm for 10 minutes using a homogenizer (manufactured by AS ONE Corporation) to produce a coprecipitate. The resulting coprecipitate was dried in a degreasing furnace in air at 150°C for 7 hours and then calcined in air at 400°C for 5 hours to obtain a ceria-zirconia solid solution containing scandium and praseodymium (Sc—Pr-containing ceria-zirconia solid solution). The solid solution was then pulverized using a pulverizer ("Wonder Blender" manufactured by AS ONE Corporation) to a particle size of 75 μm or less by sieving, yielding a Sc—Pr-containing ceria-zirconia solid solution powder having an atomic ratio ([Ce]:[Zr]:[Pr]:[Sc]) of 43.5:51.5:2.5:2.5. In this Sc—Pr-containing ceria-zirconia solid solution powder, the atomic ratio of Ce to Zr (Ce/Zr) was 45.8/54.2.
次に、このSc-Pr含有セリア-ジルコニア固溶体粉末20gを、ポリエチレン製のバッグ(容量0.05L)に詰め、内部を脱気した後、前記バッグの口を加熱してシールした。続いて、静水圧プレス装置(日機装株式会社製「CK4-22-60」)を用いて、前記バッグに対して3000kgf/cm2(294MPa)の圧力(成型圧力)で1分間、冷間静水圧プレス(CIP)を行い、Sc-Pr含有セリア-ジルコニア固溶体粉末の成型体を得た。成型体のサイズは、縦20mm、横20mm、平均厚み3mmとした。 Next, 20 g of this Sc—Pr-containing ceria-zirconia solid solution powder was packed into a polyethylene bag (volume 0.05 L), the inside was degassed, and the opening of the bag was heated and sealed. Subsequently, using an isostatic press (CK4-22-60 manufactured by Nikkiso Co., Ltd.), the bag was subjected to cold isostatic pressing (CIP) at a pressure (molding pressure) of 3000 kgf/cm 2 (294 MPa) for 1 minute to obtain a molded body of the Sc—Pr-containing ceria-zirconia solid solution powder. The molded body had a length of 20 mm, a width of 20 mm, and an average thickness of 3 mm.
次いで、得られた成型体を、小型真空加圧焼結炉(富士電波工業株式会社製「FVPS-R-150」)に投入し、アルゴン雰囲気に置換した後、昇温時聞1時間で1000℃まで加熱した後、昇温時間4時間で1500℃(還元処理温度)まで加熱して5時間保持し、その後、冷却時間4時間で1000℃まで冷却した後、自然放冷で室温まで冷却して還元処理品を得た。 The resulting molded body was then placed in a small vacuum pressure sintering furnace (FVPS-R-150, manufactured by Fuji Radio Industrial Co., Ltd.) and the atmosphere was replaced with argon. After heating to 1000°C over a 1-hour period, it was then heated to 1500°C (reduction treatment temperature) over a 4-hour period and held at that temperature for 5 hours. It was then cooled to 1000°C over a 4-hour period and then allowed to cool naturally to room temperature, yielding a reduced product.
得られた還元処理品を大気中、500℃で5時間加熱してスカンジウムとプラセオジムとを含有するセリア-ジルコニア複合酸化物(Sc-Pr含有セリア-ジルコニア複合酸化物)を得た。このSc-Pr含有セリア-ジルコニア複合酸化物を、粒径が75μm以下となるように、前記粉砕機を用いて粉砕し、セリウムとジルコニウムとプラセオジムとスカンジウムの含有比率が原子比([Ce]:[Zr]:[Pr]:[Sc])で43.5:51.5:2.5:2.5であるSc-Pr含有セリア-ジルコニア複合酸化物粉末を得た。このSc-Pr含有セリア-ジルコニア複合酸化物粉末において、CeとZrとの原子比(Ce/Zr)は45.8/54.2である。 The resulting reduction-treated product was heated in air at 500°C for 5 hours to obtain a ceria-zirconia composite oxide containing scandium and praseodymium (Sc-Pr-containing ceria-zirconia composite oxide). This Sc-Pr-containing ceria-zirconia composite oxide was then pulverized using the pulverizer to a particle size of 75 μm or less, yielding a Sc-Pr-containing ceria-zirconia composite oxide powder with an atomic ratio ([Ce]:[Zr]:[Pr]:[Sc]) of cerium, zirconium, praseodymium, and scandium of 43.5:51.5:2.5:2.5. In this Sc-Pr-containing ceria-zirconia composite oxide powder, the atomic ratio of Ce to Zr (Ce/Zr) was 45.8/54.2.
(実施例2)
前記硝酸セリウム水溶液の量を218.69gに変更し、前記硝酸プラセオジム6水和物の量を5.2gに変更した以外は実施例1と同様にして、セリウムとジルコニウムとプラセオジムとスカンジウムの含有比率が原子比([Ce]:[Zr]:[Pr]:[Sc])で44.5:51.5:1.5:2.5であるSc-Pr含有セリア-ジルコニア複合酸化物粉末を得た。このSc-Pr含有セリア-ジルコニア複合酸化物粉末において、CeとZrとの原子比(Ce/Zr)は46.4/53.6である。
Example 2
An Sc—Pr-containing ceria-zirconia composite oxide powder having an atomic ratio ([Ce]:[Zr]:[Pr]:[Sc]) of cerium to zirconium to praseodymium to scandium of 44.5:51.5:1.5:2.5 was obtained in the same manner as in Example 1, except that the amount of the cerium nitrate aqueous solution was changed to 218.69 g and the amount of the praseodymium nitrate hexahydrate was changed to 5.2 g. In this Sc—Pr-containing ceria-zirconia composite oxide powder, the atomic ratio of Ce to Zr (Ce/Zr) was 46.4/53.6.
(実施例3)
前記硝酸セリウム水溶液の量を238.35gに変更し、前記硝酸ジルコニウム水溶液の量を259.67gに変更し、前記硝酸プラセオジム6水和物の量を5.22gに変更した以外は実施例1と同様にして、セリウムとジルコニウムとプラセオジムとスカンジウムの含有比率が原子比([Ce]:[Zr]:[Pr]:[Sc])で48.5:47.5:1.5:2.5であるSc-Pr含有セリア-ジルコニア複合酸化物粉末を得た。このSc-Pr含有セリア-ジルコニア複合酸化物粉末において、CeとZrとの原子比(Ce/Zr)は50.5/49.5である。
Example 3
An Sc—Pr-containing ceria-zirconia composite oxide powder having an atomic ratio ([Ce]:[Zr]:[Pr]:[Sc]) of cerium to zirconium to praseodymium to scandium of 48.5:47.5:1.5:2.5 was obtained in the same manner as in Example 1, except that the amount of the cerium nitrate aqueous solution was changed to 238.35 g, the amount of the zirconium nitrate aqueous solution was changed to 259.67 g, and the amount of the praseodymium nitrate hexahydrate was changed to 5.22 g. In this Sc—Pr-containing ceria-zirconia composite oxide powder, the atomic ratio of Ce to Zr (Ce/Zr) was 50.5/49.5.
(実施例4)
前記硝酸ジルコニウム水溶液の量を289.74gに変更し、前記硝酸スカンジウム4水和物の量を2.4gに変更し、還元処理温度を1700℃に変更した以外は実施例1と同様にして、セリウムとジルコニウムとプラセオジムとスカンジウムの含有比率が原子比([Ce]:[Zr]:[Pr]:[Sc])で43.5:53.0:2.5:1.0であるSc-Pr含有セリア-ジルコニア複合酸化物粉末を得た。このSc-Pr含有セリア-ジルコニア複合酸化物粉末において、CeとZrとの原子比(Ce/Zr)は45.1/54.9である。
Example 4
An Sc—Pr-containing ceria-zirconia composite oxide powder having an atomic ratio ([Ce]:[Zr]:[Pr]:[Sc]) of cerium, zirconium, praseodymium, and scandium was obtained in the same manner as in Example 1, except that the amount of the zirconium nitrate aqueous solution was changed to 289.74 g, the amount of the scandium nitrate tetrahydrate was changed to 2.4 g, and the reduction treatment temperature was changed to 1700° C. In this Sc—Pr-containing ceria-zirconia composite oxide powder, the atomic ratio of Ce to Zr (Ce/Zr) was 45.1/54.9.
(実施例5)
前記硝酸セリウム水溶液の量を218.69gに変更し、前記硝酸ジルコニウム水溶液の量を289.47gに変更し、前記硝酸スカンジウム4水和物の量を2.4gに変更し、前記硝酸プラセオジム6水和物の量を5.2gに変更し、還元処理温度を1700℃に変更した以外は実施例1と同様にして、セリウムとジルコニウムとプラセオジムとスカンジウムの含有比率が原子比([Ce]:[Zr]:[Pr]:[Sc])で44.5:45.0:1.5:1.0であるSc-Pr含有セリア-ジルコニア複合酸化物粉末を得た。このSc-Pr含有セリア-ジルコニア複合酸化物粉末において、CeとZrとの原子比(Ce/Zr)は45.6/54.4である。
Example 5
An Sc—Pr-containing ceria-zirconia composite oxide powder having an atomic ratio ([Ce]:[Zr]:[Pr]:[Sc]) of cerium to zirconium to praseodymium to scandium of 44.5:45.0:1.5:1.0 was obtained in the same manner as in Example 1, except that the amount of the cerium nitrate aqueous solution was changed to 218.69 g, the amount of the zirconium nitrate aqueous solution was changed to 289.47 g, the amount of the scandium nitrate tetrahydrate was changed to 2.4 g, the amount of the praseodymium nitrate hexahydrate was changed to 5.2 g, and the reduction treatment temperature was changed to 1700° C. In this Sc—Pr-containing ceria-zirconia composite oxide powder, the atomic ratio of Ce to Zr (Ce/Zr) was 45.6/54.4.
(実施例6)
前記硝酸プラセオジム6水和物の代わりに硝酸ランタン6水和物8.7gを用い、還元処理品の加熱温度を900℃に変更した以外は実施例1と同様にして、セリウムとジルコニウムとランタンとスカンジウムの含有比率が原子比([Ce]:[Zr]:[La]:[Sc])で43.5:51.5:2.5:2.5であるスカンジウムとランタンとを含有するセリア-ジルコニア複合酸化物粉末(Sc-La含有セリア-ジルコニア複合酸化物粉末)を得た。このSc-La含有セリア-ジルコニア複合酸化物粉末において、CeとZrとの原子比(Ce/Zr)は45.8/54.2である。
Example 6
A ceria-zirconia composite oxide powder containing scandium and lanthanum (Sc—La-containing ceria-zirconia composite oxide powder) was obtained in the same manner as in Example 1, except that 8.7 g of lanthanum nitrate hexahydrate was used instead of the praseodymium nitrate hexahydrate and the heating temperature of the reduction-treated product was changed to 900° C. The atomic ratio of cerium to zirconium to lanthanum to scandium ([Ce]:[Zr]:[La]:[Sc]) was 43.5:51.5:2.5:2.5. In this Sc—La-containing ceria-zirconia composite oxide powder, the atomic ratio of Ce to Zr (Ce/Zr) was 45.8/54.2.
(実施例7)
前記硝酸プラセオジム6水和物の代わりに硝酸ランタン6水和物8.7gを用い、前記硝酸セリウム水溶液の量を233.43gに変更し、前記硝酸ジルコニウム水溶液の量を259.67gに変更した以外は実施例1と同様にして、セリウムとジルコニウムとランタンとスカンジウムの含有比率が原子比([Ce]:[Zr]:[La]:[Sc])で47.5:47.5:2.5:2.5であるスカンジウムとランタンとを含有するセリア-ジルコニア複合酸化物粉末(Sc-La含有セリア-ジルコニア複合酸化物粉末)を得た。このSc-La含有セリア-ジルコニア複合酸化物粉末において、CeとZrとの原子比(Ce/Zr)は50.0/50.0である。
Example 7
A ceria-zirconia composite oxide powder containing scandium and lanthanum (Sc—La-containing ceria-zirconia composite oxide powder) having an atomic ratio ([Ce]:[Zr]:[La]:[Sc]) of 47.5:47.5:2.5:2.5 was obtained in the same manner as in Example 1, except that 8.7 g of lanthanum nitrate hexahydrate was used instead of the praseodymium nitrate hexahydrate, the amount of the cerium nitrate aqueous solution was changed to 233.43 g, and the amount of the zirconium nitrate aqueous solution was changed to 259.67 g. In this Sc—La-containing ceria-zirconia composite oxide powder, the atomic ratio of Ce to Zr (Ce/Zr) was 50.0/50.0.
(比較例1)
前記硝酸セリウム水溶液の量を201.49gに変更し、前記硝酸ジルコニウム水溶液の量を267.87gに変更し、前記硝酸スカンジウム4水和物の量を12.1gに変更し、前記硝酸プラセオジム6水和物の量を17.4gに変更し、還元処理温度を1700℃に変更した以外は実施例1と同様にして、セリウムとジルコニウムとプラセオジムとスカンジウムの含有比率が原子比([Ce]:[Zr]:[Pr]:[Sc])で41.0:49.0:5.0:5.0であるSc-Pr含有セリア-ジルコニア複合酸化物粉末を得た。このSc-Pr含有セリア-ジルコニア複合酸化物粉末において、CeとZrとの原子比(Ce/Zr)は45.6/54.4である。
(Comparative Example 1)
An Sc—Pr-containing ceria-zirconia composite oxide powder having an atomic ratio ([Ce]:[Zr]:[Pr]:[Sc]) of cerium to zirconium to praseodymium to scandium of 41.0:49.0:5.0:5.0 was obtained in the same manner as in Example 1, except that the amount of the cerium nitrate aqueous solution was changed to 201.49 g, the amount of the zirconium nitrate aqueous solution was changed to 267.87 g, the amount of the scandium nitrate tetrahydrate was changed to 12.1 g, the amount of the praseodymium nitrate hexahydrate was changed to 17.4 g, and the reduction treatment temperature was changed to 1700° C. In this Sc—Pr-containing ceria-zirconia composite oxide powder, the atomic ratio of Ce to Zr (Ce/Zr) was 45.6/54.4.
(比較例2)
前記硝酸セリウム水溶液の量を176.92gに変更し、前記硝酸ジルコニウム水溶液の量を240.54gに変更し、前記硝酸スカンジウム4水和物の量を24.3gに変更し、前記硝酸プラセオジム6水和物の量を34.8gに変更し、還元処理温度を1700℃に変更した以外は実施例1と同様にして、セリウムとジルコニウムとプラセオジムとスカンジウムの含有比率が原子比([Ce]:[Zr]:[Pr]:[Sc])で36.0:44.0:10.0:10.0であるSc-Pr含有セリア-ジルコニア複合酸化物粉末を得た。このSc-Pr含有セリア-ジルコニア複合酸化物粉末において、CeとZrとの原子比(Ce/Zr)は45.0/55.0である。
(Comparative Example 2)
An Sc—Pr-containing ceria-zirconia composite oxide powder having an atomic ratio ([Ce]:[Zr]:[Pr]:[Sc]) of cerium to zirconium to praseodymium to scandium of 36.0:44.0:10.0:10.0 was obtained in the same manner as in Example 1, except that the amount of the cerium nitrate aqueous solution was changed to 176.92 g, the amount of the zirconium nitrate aqueous solution was changed to 240.54 g, the amount of the scandium nitrate tetrahydrate was changed to 24.3 g, the amount of the praseodymium nitrate hexahydrate was changed to 34.8 g, and the reduction treatment temperature was changed to 1700° C. In this Sc—Pr-containing ceria-zirconia composite oxide powder, the atomic ratio of Ce to Zr (Ce/Zr) was 45.0/55.0.
(比較例3)
先ず、前記硝酸セリウム水溶液の量を226.06gに変更し、前記硝酸ジルコニウム水溶液の量を295.20gに変更し、前記硝酸スカンジウム4水和物及び前記硝酸プラセオジム6水和物を用いず、還元処理温度を1700℃に変更した以外は実施例1と同様にして、セリウムとジルコニウムとの含有比率が原子比([Ce]:[Zr])で46.0:54.0であるセリア-ジルコニア複合酸化物粉末を得た。
(Comparative Example 3)
First, a ceria-zirconia composite oxide powder having a cerium to zirconium content ratio (atomic ratio [Ce]:[Zr]) of 46.0:54.0 was obtained in the same manner as in Example 1, except that the amount of the cerium nitrate aqueous solution was changed to 226.06 g, the amount of the zirconium nitrate aqueous solution was changed to 295.20 g, the scandium nitrate tetrahydrate and the praseodymium nitrate hexahydrate were not used, and the reduction treatment temperature was changed to 1700°C.
次に、このセリア-ジルコニア複合酸化物粉末を、硝酸スカンジウムと硝酸プラセオジムとを質量比1:1で含有する水溶液に浸漬して、スカンジウムの含有量が5.0at%、プラセオジムの含有量が5.0at%となるように、前記セリア-ジルコニア複合酸化物粉末に硝酸スカンジウム及び硝酸プラセオジムを含浸させた後、固体成分を蒸発乾固させ、さらに、大気中、900℃で5時間加熱して、セリウムとジルコニウムとプラセオジムとスカンジウムの含有比率が原子比([Ce]:[Zr]:[Pr]:[Sc])で41.4:48.6:5.0:5.0であるSc-Pr含有セリア-ジルコニア複合酸化物粉末を得た。このSc-Pr含有セリア-ジルコニア複合酸化物粉末において、CeとZrとの原子比(Ce/Zr)は46.0/54.0である。 Next, this ceria-zirconia composite oxide powder was immersed in an aqueous solution containing scandium nitrate and praseodymium nitrate in a 1:1 mass ratio to impregnate the ceria-zirconia composite oxide powder with scandium nitrate and praseodymium nitrate so that the scandium content was 5.0 at% and the praseodymium content was 5.0 at%. The solid components were then evaporated to dryness, and the resulting powder was heated in air at 900°C for 5 hours to obtain a Sc-Pr-containing ceria-zirconia composite oxide powder having an atomic ratio ([Ce]:[Zr]:[Pr]:[Sc]) of cerium, zirconium, praseodymium, and scandium of 41.4:48.6:5.0:5.0. In this Sc-Pr-containing ceria-zirconia composite oxide powder, the atomic ratio of Ce to Zr (Ce/Zr) was 46.0/54.0.
(比較例4)
スカンジウムの含有量が10.0at%、プラセオジムの含有量が10.0at%となるように、前記セリア-ジルコニア複合酸化物粉末を、前記セリア-ジルコニア複合酸化物粉末に硝酸スカンジウム及び硝酸プラセオジムを含浸させた以外は比較例3と同様にして、セリウムとジルコニウムとプラセオジムとスカンジウムの含有比率が原子比([Ce]:[Zr]:[Pr]:[Sc])で36.8:43.2:10.0:10.0であるSc-Pr含有セリア-ジルコニア複合酸化物粉末を得た。このSc-Pr含有セリア-ジルコニア複合酸化物粉末において、CeとZrとの原子比(Ce/Zr)は46.0/54.0である。
(Comparative Example 4)
An Sc—Pr-containing ceria-zirconia composite oxide powder having an atomic ratio ([Ce]:[Zr]:[Pr]:[Sc]) of cerium to zirconium to praseodymium to scandium of 36.8:43.2:10.0:10.0 was obtained in the same manner as in Comparative Example 3, except that the ceria-zirconia composite oxide powder was impregnated with scandium nitrate and praseodymium nitrate so that the scandium content was 10.0 at% and the praseodymium content was 10.0 at%. In this Sc—Pr-containing ceria-zirconia composite oxide powder, the atomic ratio of Ce to Zr (Ce/Zr) was 46.0/54.0.
(比較例5)
前記硝酸セリウム水溶液の量を245.72gに変更し、前記硝酸ジルコニウム水溶液の量を273.34gに変更し、前記硝酸スカンジウム4水和物及び前記硝酸プラセオジム6水和物を用いず、還元処理温度を1700℃に変更した以外は実施例1と同様にして、セリウムとジルコニウムとの含有比率が原子比([Ce]:[Zr])で50.0:50.0であるセリア-ジルコニア複合酸化物粉末を得た。
(Comparative Example 5)
A ceria-zirconia composite oxide powder having a cerium to zirconium content ratio of 50.0:50.0 in atomic ratio ([Ce]:[Zr]) was obtained in the same manner as in Example 1, except that the amount of the cerium nitrate aqueous solution was changed to 245.72 g, the amount of the zirconium nitrate aqueous solution was changed to 273.34 g, the scandium nitrate tetrahydrate and the praseodymium nitrate hexahydrate were not used, and the reduction treatment temperature was changed to 1700°C.
(比較例6)
前記硝酸ジルコニウム水溶液の量を295.20gに変更し、前記硝酸スカンジウム4水和物を用いなかった以外は実施例1と同様にして、セリウムとジルコニウムとプラセオジムの含有比率が原子比([Ce]:[Zr]:[Pr])で43.5:54.0:2.5であるプラセオジムを含有するセリア-ジルコニア複合酸化物粉末(Pr含有セリア-ジルコニア複合酸化物粉末)を得た。このPr含有セリア-ジルコニア複合酸化物粉末において、CeとZrとの原子比(Ce/Zr)は44.6/55.4である。
(Comparative Example 6)
A praseodymium-containing ceria-zirconia composite oxide powder (Pr-containing ceria-zirconia composite oxide powder) having an atomic ratio ([Ce]:[Zr]:[Pr]) of cerium to zirconium to praseodymium of 43.5:54.0:2.5 was obtained in the same manner as in Example 1, except that the amount of the zirconium nitrate aqueous solution was changed to 295.20 g and scandium nitrate tetrahydrate was not used. In this Pr-containing ceria-zirconia composite oxide powder, the atomic ratio of Ce to Zr (Ce/Zr) was 44.6/55.4.
(比較例7)
前記硝酸セリウム水溶液の量を226.06gに変更し、前記硝酸ジルコニウム水溶液の量を281.54gに変更し、前記硝酸プラセオジム6水和物を用いなかった以外は実施例1と同様にして、セリウムとジルコニウムとスカンジウムの含有比率が原子比([Ce]:[Zr]:[Sc])で46.0:51.5:2.5であるスカンジウムを含有するセリア-ジルコニア複合酸化物粉末(Sc含有セリア-ジルコニア複合酸化物粉末)を得た。このSc含有セリア-ジルコニア複合酸化物粉末において、CeとZrとの原子比(Ce/Zr)は47.2/52.8である。
(Comparative Example 7)
A scandium-containing ceria-zirconia composite oxide powder (Sc-containing ceria-zirconia composite oxide powder) having a cerium:zirconium:sc content ratio ([Ce]:[Zr]:[Sc]) of 46.0:51.5:2.5 was obtained in the same manner as in Example 1, except that the amount of the cerium nitrate aqueous solution was changed to 226.06 g, the amount of the zirconium nitrate aqueous solution was changed to 281.54 g, and the praseodymium nitrate hexahydrate was not used. In this Sc-containing ceria-zirconia composite oxide powder, the atomic ratio of Ce to Zr (Ce/Zr) was 47.2/52.8.
(比較例8)
前記硝酸セリウム水溶液の量を226.06gに変更し、前記硝酸ジルコニウム水溶液の量を267.87gに変更し、前記硝酸スカンジウム4水和物の量を12.1gに変更し、前記硝酸プラセオジム6水和物を用いず、還元処理温度を1700℃に変更した以外は実施例1と同様にして、セリウムとジルコニウムとスカンジウムの含有比率が原子比([Ce]:[Zr]:[Sc])で46.0:49.0:5.0であるSc含有セリア-ジルコニア複合酸化物粉末を得た。このSc含有セリア-ジルコニア複合酸化物粉末において、CeとZrとの原子比(Ce/Zr)は48.4/51.6である。
(Comparative Example 8)
A Sc-containing ceria-zirconia composite oxide powder having an atomic ratio ([Ce]:[Zr]:[Sc]) of cerium to zirconium to scandium of 46.0:49.0:5.0 was obtained in the same manner as in Example 1, except that the amount of the cerium nitrate aqueous solution was changed to 226.06 g, the amount of the zirconium nitrate aqueous solution was changed to 267.87 g, the amount of the scandium nitrate tetrahydrate was changed to 12.1 g, the praseodymium nitrate hexahydrate was not used, and the reduction treatment temperature was changed to 1700° C. In this Sc-containing ceria-zirconia composite oxide powder, the atomic ratio (Ce:[Zr]:[Sc]) of Ce to Zr was 48.4:51.6.
<耐熱試験1>
実施例及び比較例で得られた複合酸化物粉末を大気中、1100℃で5時間加熱した。
<Heat resistance test 1>
The composite oxide powders obtained in the examples and comparative examples were heated in air at 1100° C. for 5 hours.
<耐熱試験2>
実施例及び比較例で得られた複合酸化物粉末1.5gに、リッチガス(H2(2%)+CO2(10%)+H2O(3%)+N2(残部))とリーンガス(O2(2%)+CO2(10%)+H2O(3%)+N2(残部))とを5分毎に交互に、ガス流量500ml/minで流通させながら、1050℃で5時間加熱した。
<Heat resistance test 2>
1.5 g of the composite oxide powders obtained in the examples and comparative examples were heated at 1050°C for 5 hours while passing a rich gas (H 2 (2%) + CO 2 (10%) + H 2 O (3%) + N 2 (balance)) and a lean gas (O 2 (2%) + CO 2 (10%) + H 2 O (3%) + N 2 (balance)) alternately every 5 minutes at a gas flow rate of 500 ml/min.
<エネルギー分散型X線分析>
実施例及び比較例で得られた耐熱試験前の複合酸化物粉末を、FIB(Focused Ion Beam)加工により、約500nmに薄膜化して観察用試料を作製した。この観察用試料について、エネルギー分散型X線分析装置を備える球面収差補正機能付走査透過型電子顕微鏡(日本電子株式会社製「JEM-ARM200F NEOARM」)を用い、加速電圧:200kV、視野倍率:4.8×107倍の条件でエネルギー分散型X線(EDX)分析を行い、縦512ピクセル×横512ピクセルのEDX元素マッピング像を取得し、Ce、Zr、Pr又はLa、Scの各元素の分布図を得た。図1及び図2には、それぞれ実施例5及び比較例3で得られた耐熱試験前の複合酸化物粉末のCe、Zr、Pr、Scの各元素の分布図を示す。
<Energy dispersive X-ray analysis>
The composite oxide powders obtained in the examples and comparative examples before the heat resistance test were thinned to about 500 nm by FIB (Focused Ion Beam) processing to prepare observation samples. For this observation sample, a spherical aberration corrected scanning transmission electron microscope equipped with an energy dispersive X-ray analyzer ("JEM-ARM200F NEOARM" manufactured by JEOL Ltd.) was used, and energy dispersive X-ray (EDX) analysis was performed under the conditions of an acceleration voltage of 200 kV and a field of view magnification of 4.8 × 10 7 times. An EDX element mapping image of 512 vertical pixels × 512 horizontal pixels was obtained, and a distribution map of the elements Ce, Zr, Pr or La, Sc was obtained. Figures 1 and 2 show the distribution maps of the elements Ce, Zr, Pr, and Sc of the composite oxide powders obtained in Example 5 and Comparative Example 3 before the heat resistance test, respectively.
<ゼロ平均正規化相関(ZNCC)係数>
前記EDX分析により得られたCe、Zr、Pr又はLa、Scの各元素の分布図に基づいて、下記式(3):
Zero-Mean Normalized Correlation (ZNCC) Coefficient
Based on the distribution map of each element of Ce, Zr, Pr or La, Sc obtained by the EDX analysis, the following formula (3):
〔前記式中、ZNCCはゼロ平均正規化相互相関(ZNCC)の係数値を表し、I(i,j)は比較画像(前記Sc、Pr又はLa分布図(M=512、N=512))における横方向にi番目かつ縦方向にj番目のピクセルの輝度値を表し、Iaveは前記比較画像における平均輝度値を表し、T(i,j)は基準画像(前記Ce又はZr分布図(M=512、N=512))における横方向にi番目かつ縦方向にj番目のピクセルの輝度値を表し、Taveは前記基準画像における平均輝度値を表す。〕
により、前記Sc分布図と前記Ce分布図とのZNCC係数値[Sc-Ce]、前記Sc分布図と前記Zr分布図とのZNCC係数値[Sc-Zr]、前記Pr又はLa分布図と前記Ce分布図とのZNCC係数値[MPL-Ce]、前記Pr又はLa分布図と前記Zr分布図とのZNCC係数値[MPL-Zr]を求めた。具体的には、比較画像(前記Sc、Pr又はLa分布図)と基準画像(前記Ce又はZr分布図)のZNCC係数値を、画像処理ソフトウェアImageJを用いて算出した。その結果を表1に示す。
(In the above formula, ZNCC represents the coefficient value of zero-mean normalized cross-correlation (ZNCC), I(i, j) represents the luminance value of the ith pixel in the horizontal direction and the jth pixel in the vertical direction in the comparison image (the Sc, Pr, or La distribution map (M=512, N=512)), I ave represents the average luminance value in the comparison image, T(i, j) represents the luminance value of the ith pixel in the horizontal direction and the jth pixel in the vertical direction in the reference image (the Ce or Zr distribution map (M=512, N=512)), and T ave represents the average luminance value in the reference image.)
The ZNCC coefficient value [Sc-Ce] between the Sc distribution map and the Ce distribution map, the ZNCC coefficient value [Sc-Zr] between the Sc distribution map and the Zr distribution map, the ZNCC coefficient value [ MPL -Ce] between the Pr or La distribution map and the Ce distribution map, and the ZNCC coefficient value [ MPL -Zr] between the Pr or La distribution map and the Zr distribution map were calculated using the image processing software ImageJ. The results are shown in Table 1.
また、表1に示した結果に基づいて、ZNCC係数値[Sc-Zr]とZNCC係数値[Sc-Ce]との差分([Sc-Zr]-[Sc-Ce])及びZNCC係数値[MPL-Ce]とZNCC係数値[MPL-Zr]との差分([MPL-Ce]-[MPL-Zr])を求めた。その結果を表2に示す。 Furthermore, based on the results shown in Table 1, the difference between the ZNCC coefficient value [Sc-Zr] and the ZNCC coefficient value [Sc-Ce] ([Sc-Zr]-[Sc-Ce]) and the difference between the ZNCC coefficient value [M PL -Ce] and the ZNCC coefficient value [M PL -Zr] ([M PL -Ce]-[M PL -Zr]) were calculated. The results are shown in Table 2.
<X線回折(XRD)測定>
実施例及び比較例で得られた耐熱試験前及び耐熱試験1後の各複合酸化物粉末のX線回折パターンを、X線回折装置(株式会社リガク製「RINT-Ultima」)を用い、CuKα線をX線源として、管電圧40KV、管電流40mA、走査速度2θ=10°/minの条件で測定した。
<X-ray diffraction (XRD) measurement>
The X-ray diffraction patterns of each composite oxide powder obtained in the Examples and Comparative Examples before the heat resistance test and after heat resistance test 1 were measured using an X-ray diffractometer (RINT-Ultima manufactured by Rigaku Corporation) under conditions of a tube voltage of 40 kV, a tube current of 40 mA, and a scanning speed of 2θ = 10°/min, using CuKα rays as an X-ray source.
得られたX線回折パターンにおいて、2θ=14.5°付近の回折線のピーク強度I(14)と2θ=29°付近の回折線のピーク強度I(29)との比〔I(14/29)=I(14)/I(29)〕を求めた。また、下記式:
構造維持率=耐熱試験1後のI(14/29)/耐熱試験前のI(14/29)×100
により構造維持率を求めた。これらの結果を表2に示す。
In the obtained X-ray diffraction pattern, the ratio of the peak intensity I(14) of the diffraction line near 2θ=14.5° to the peak intensity I(29) of the diffraction line near 2θ=29° [I(14/29)=I(14)/I(29)] was calculated.
Structural retention rate = I (14/29) after heat resistance test 1 / I (14/29) before heat resistance test × 100
The structural maintenance rate was calculated by the following method. The results are shown in Table 2.
<触媒調製>
実施例及び比較例で得られた耐熱試験前及び耐熱試験1後(比較例1、2、4)又は耐熱試験2後(実施例1~7及び比較例3、5~8)の各複合酸化物粉末にジニトロジアンミン白金(II)酸溶液を含浸させた後、蒸発乾固させ、さらに、得られた乾固物を300℃で3時間焼成して前記複合酸化物粉末に白金(Pt)が担持した触媒粉末(Pt担持量:1質量%)を調製した。
<Catalyst preparation>
Each of the composite oxide powders obtained in the Examples and Comparative Examples before the heat resistance test and after heat resistance test 1 (Comparative Examples 1, 2, and 4) or after heat resistance test 2 (Examples 1 to 7 and Comparative Examples 3, 5 to 8) was impregnated with a dinitrodiammineplatinic (II) acid solution, evaporated to dryness, and then calcined at 300°C for 3 hours to prepare a catalyst powder in which platinum (Pt) was supported on the composite oxide powder (Pt supported amount: 1% by mass).
<酸素放出量測定>
上記のようにして調製した各触媒粉末15mgを熱重量測定装置(株式会社島津製作所製「TGA-50」)に装入し、この触媒粉末に、温度250℃で、還元ガス(H2(5%)+N2(残部))と酸化ガス(O2(5%)+N2(残部))とを5分毎に交互に、ガス流量100ml/minで流通させ、この間の前記触媒粉末の質量の増減を測定した。2回目と3回目の還元ガス流通時の前記触媒粉末の質量減少量の平均値を求め、これを酸素貯蔵能(OSC)とした。その結果を表2に示す。
<Oxygen release measurement>
15 mg of each catalyst powder prepared as described above was placed in a thermogravimetric analyzer ("TGA-50" manufactured by Shimadzu Corporation), and a reducing gas (H 2 (5%) + N 2 (balance)) and an oxidizing gas (O 2 (5%) + N 2 (balance)) were passed through the catalyst powder alternately every 5 minutes at a gas flow rate of 100 ml/min at a temperature of 250°C, and the increase or decrease in mass of the catalyst powder during this period was measured. The average mass loss of the catalyst powder during the second and third passes of the reducing gas was calculated and used as the oxygen storage capacity (OSC). The results are shown in Table 2.
表2に示したI(14/29)値から、実施例及び比較例で得られた複合酸化物粉末はパイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物粉末であることが確認された。 The I(14/29) values shown in Table 2 confirm that the composite oxide powders obtained in the examples and comparative examples are pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide powders.
また、表2に示した結果に基づいて、ZNCC係数値の差分([Sc-Zr]-[Sc-Ce])をSc含有率に対してプロットした結果を図3に、ZNCC係数値の差分([MPL-Ce]-[MPL-Zr])をPr又はLa含有率に対してプロットした結果を図4に示す。なお、図3中の直線は、Scが結晶格子内にほとんど固溶しない条件で調製したSc-Pr含有セリア-ジルコニア複合酸化物粉末(比較例3)のZNCC係数値に基づく直線であり、ScがZrサイトに置換するか否かの境界を示す直線である。また、図4中の直線は、比較例3において、Prが結晶格子内にほとんど固溶しない条件で調製したSc-Pr含有セリア-ジルコニア複合酸化物粉末のZNCC係数値に基づく直線であり、Pr又はLaがCeサイトに置換するか否かの境界を示す直線である。 Based on the results shown in Table 2, the difference in ZNCC coefficient values ([Sc-Zr]-[Sc-Ce]) is plotted against the Sc content in FIG. 3 , and the difference in ZNCC coefficient values ([M PL -Ce]-[M PL -Zr]) is plotted against the Pr or La content in FIG. 4 . The straight line in FIG. 3 is based on the ZNCC coefficient value of the Sc-Pr-containing ceria-zirconia composite oxide powder (Comparative Example 3) prepared under conditions in which Sc is hardly dissolved in the crystal lattice, and indicates the boundary between whether Sc is substituted at the Zr site or not. The straight line in FIG. 4 is based on the ZNCC coefficient value of the Sc-Pr-containing ceria-zirconia composite oxide powder prepared under conditions in which Pr is hardly dissolved in the crystal lattice in Comparative Example 3, and indicates the boundary between whether Pr or La is substituted at the Ce site or not.
さらに、表2に示した結果に基づいて、耐熱試験後の複合酸化物粉末に白金(Pt)を担持した触媒粉末について、酸素貯蔵能(OSC)をSc含有率及びPr又はLa含有率に対してプロットした結果を図5及び図6に示す。 Furthermore, based on the results shown in Table 2, the oxygen storage capacity (OSC) of catalyst powders in which platinum (Pt) was supported on composite oxide powders after heat resistance testing was plotted against the Sc content and Pr or La content, and the results are shown in Figures 5 and 6.
図3及び図4に示したように、実施例1~7及び比較例1、2、4で得られた複合酸化物粉末は、ZNCC係数値の差分が[Sc-Zr]-[Sc-Ce]>0.000及び[MPL-Ce]-[MPL-Zr]>0.028を満たすことから、Scがセリア-ジルコニア結晶格子内に固溶し、Zrサイトに置換し、かつ、Pr又はLaがセリア-ジルコニア結晶格子内に固溶し、Ceサイトに置換していることが確認された。また、比較例6で得られた複合酸化物粉末は、ZNCC係数値の差分が[MPL-Ce]-[MPL-Zr]>0.028を満たすことから、Prがセリア-ジルコニア結晶格子内に固溶し、Ceサイトに置換していることが確認された。さらに、比較例7、8で得られた複合酸化物粉末は、ZNCC係数値の差分が[Sc-Zr]-[Sc-Ce]>0.000を満たすことから、Scがセリア-ジルコニア結晶格子内に固溶し、Zrサイトに置換していることが確認された。 3 and 4, the composite oxide powders obtained in Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1, 2, and 4 have ZNCC coefficient value differences satisfying [Sc-Zr]-[Sc-Ce]>0.000 and [M PL -Ce]-[M PL -Zr]>0.028, which confirms that Sc is solid-dissolved in the ceria-zirconia crystal lattice and substituted at the Zr site, and Pr or La is solid-dissolved in the ceria-zirconia crystal lattice and substituted at the Ce site. Furthermore, the composite oxide powder obtained in Comparative Example 6 has ZNCC coefficient value differences satisfying [M PL -Ce]-[M PL -Zr]>0.028, which confirms that Pr is solid-dissolved in the ceria-zirconia crystal lattice and substituted at the Ce site. Furthermore, the composite oxide powders obtained in Comparative Examples 7 and 8 had a difference in ZNCC coefficient value that satisfied [Sc-Zr]-[Sc-Ce]>0.000, confirming that Sc was dissolved in the ceria-zirconia crystal lattice and substituted for the Zr site.
図5及び図6に示したように、実施例1~7で得られた複合酸化物粉末は、比較例1~8で得られた複合酸化物粉末に比べて、OSCに優れていることがわかった。これは、実施例1~6で得られた複合酸化物においては、Sc3+がZr4+と置換されることによって、電荷補償で生じた酸素欠陥が酸素格子のモビリティーを向上させ、さらに、イオン半径がCe4+(0.97Å)よりも大きいPr3+(1.16Å)又はLa3+(1.13Å)がCe4+と置換されることによって、上述した電荷補償で生じた酸素欠陥の導入に加えて、部分的に熱安定性の高いPr2Zr2O7又はLa2Zr2O7が形成され、複合酸化物粉末の耐熱性が向上し、耐熱試験後の低温OSCが向上したためと考えられる。 5 and 6 , it was found that the composite oxide powders obtained in Examples 1 to 7 had superior OSC compared to the composite oxide powders obtained in Comparative Examples 1 to 8. This is thought to be because, in the composite oxides obtained in Examples 1 to 6, Sc 3+ was replaced with Zr 4+ , and oxygen vacancies generated by charge compensation improved the mobility of the oxygen lattice, and further, Pr 3+ (1.16 Å) or La 3+ (1.13 Å), which has an ionic radius larger than that of Ce 4+ (0.97 Å), was replaced with Ce 4+ , which not only introduced oxygen vacancies generated by the charge compensation described above, but also partially formed Pr 2 Zr 2 O 7 or La 2 Zr 2 O 7 , which had high thermal stability, improving the heat resistance of the composite oxide powder and the low-temperature OSC after the heat resistance test.
一方、比較例1、2で得られた複合酸化物粉末においては、実施例1~7で得られた複合酸化物と同様に、ScがZrサイトに置換し、かつ、Pr又はLaがCeサイトに置換しているものの、Sc含有率及びPr又はLa含有率が5at%以上であるため、構造が不安定となり、また、Ceの酸化還元時の格子の変化が抑制されることから、実施例1~7で得られた複合酸化物に比べて、OSCが低下したと考えられる。この理由は必ずしも定かではないが、本発明者らは以下のように推察する。すなわち、セリア-ジルコニア結晶格子においては、Zrサイト(Zr4+)が酸化還元反応時に価数の変化がなく、複合酸化物粉末の酸化還元時の構造安定性に大きく寄与するが、Sc含有率及びPr又はLa含有率が5at%以上の複合酸化物粉末においては、Zr4+が過剰なSc3+で置換されることによって、電荷補償の関係からZrサイト近傍に過剰の酸素欠陥が生成し、構造が不安定となる。また、Ce4+が過剰なPr3+又はLa3+で置換されることによって、構造的なアンカーとしてのPr2Zr2O7又はLa2Zr2O7が過剰に生成し、Ceの酸化還元時の格子の変化が抑制される。これらの理由により、耐熱試験後の低温OSCが低下したと推察される。 On the other hand, in the composite oxide powders obtained in Comparative Examples 1 and 2, Sc is substituted for the Zr site and Pr or La is substituted for the Ce site, as in the composite oxides obtained in Examples 1 to 7. However, since the Sc content and Pr or La content were 5 at % or more, the structure became unstable and lattice changes during the oxidation-reduction of Ce were suppressed, which is thought to have resulted in a lower OSC compared to the composite oxides obtained in Examples 1 to 7. The reason for this is not necessarily clear, but the inventors speculate as follows: In other words, in the ceria-zirconia crystal lattice, the Zr site (Zr 4+ ) does not change in valence during the oxidation-reduction reaction and contributes greatly to the structural stability of the composite oxide powder during the oxidation-reduction reaction; however, in composite oxide powders with a Sc content and a Pr or La content of 5 at % or more, Zr 4+ is substituted with excess Sc 3+ , which generates excess oxygen vacancies near the Zr site due to charge compensation, resulting in an unstable structure. Furthermore, the substitution of Ce 4+ with excess Pr 3+ or La 3+ generates excess Pr 2 Zr 2 O 7 or La 2 Zr 2 O 7 as a structural anchor, suppressing lattice changes during the oxidation-reduction of Ce. These reasons are presumed to be the reason for the decrease in low-temperature OSC after the heat resistance test.
また、比較例3で得られた複合酸化物粉末においては、Sc及びPrがセリア-ジルコニア結晶格子内にほとんど固溶していないことから、Sc及びPrによる置換効果が十分に得られないため、実施例1~7で得られた複合酸化物に比べて、OSCが低下したと考えられる。 Furthermore, in the composite oxide powder obtained in Comparative Example 3, Sc and Pr were hardly dissolved in the ceria-zirconia crystal lattice, and therefore the substitution effect of Sc and Pr was not fully achieved, which is thought to have resulted in a lower OSC compared to the composite oxides obtained in Examples 1 to 7.
さらに、比較例4で得られた複合酸化物粉末においては、実施例1~7で得られた複合酸化物と同様に、ScがZrサイトに置換し、かつ、Pr又はLaがCeサイトに置換しているものの、Ce4+に比べてイオン半径の大きなPr又はLa含有率が10at%と高く、イオン半径の増加を伴うCe4+からCe3+への還元を阻害するため、実施例1~7で得られた複合酸化物に比べて、OSCが低下したと考えられる。 Furthermore, in the composite oxide powder obtained in Comparative Example 4, as in the composite oxides obtained in Examples 1 to 7, Sc is substituted for the Zr site, and Pr or La is substituted for the Ce site. However, the content of Pr or La, which has a larger ionic radius than Ce 4+ , is high at 10 at%, and inhibits the reduction of Ce 4+ to Ce 3+ , which is accompanied by an increase in the ionic radius. This is thought to have resulted in a decrease in OSC compared to the composite oxides obtained in Examples 1 to 7.
また、比較例5~8で得られた複合酸化物粉末においては、Sc及びPr又はLaの少なくとも一方が含まれておらず、Scによる置換効果とPr又はLaによる置換効果とを同時に得られないため、実施例1~7で得られた複合酸化物に比べて、OSCが低下したと考えられる。 Furthermore, the composite oxide powders obtained in Comparative Examples 5 to 8 did not contain Sc and at least one of Pr and La, and therefore the substitution effects of Sc and Pr or La could not be obtained simultaneously. This is thought to have resulted in a lower OSC compared to the composite oxides obtained in Examples 1 to 7.
以上説明したように、本発明によれば、使用初期だけでなく、1100℃程度という高温の排ガスに長時間曝された後においても、約250℃という低温において優れた酸素貯蔵能(OSC)を発現できる酸素貯蔵材料を得ることが可能となる。したがって、本発明の酸素貯蔵材料は、低温での優れた酸素貯蔵能(OSC)と高温耐久性とを併せ持つため、排ガス浄化触媒の担体や助触媒、触媒雰囲気調整材等として有用である。 As explained above, the present invention makes it possible to obtain an oxygen storage material that exhibits excellent oxygen storage capacity (OSC) at low temperatures of approximately 250°C, not only at the initial stage of use but also after prolonged exposure to high-temperature exhaust gases of approximately 1100°C. Therefore, the oxygen storage material of the present invention possesses both excellent oxygen storage capacity (OSC) at low temperatures and high-temperature durability, making it useful as a support or co-catalyst for exhaust gas purification catalysts, a catalyst atmosphere adjuster, etc.
Claims (5)
前記パイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物中の全カチオンに対して、
Ceの含有量が43~49at%であり、
Pr又はLaの含有量が0.5~4.9at%であり、
Scの含有量が0.5~4.9at%であり、
CeとZrとの原子比(Ce/Zr)が45/55~51/49である、
ことを特徴とする酸素貯蔵材料。 The composite oxide contains a pyrochlore-type ceria (CeO 2 )-zirconia (ZrO 2 )-based composite oxide containing scandium (Sc) and praseodymium (Pr) or lanthanum (La),
With respect to all cations in the pyrochlore-type ceria-zirconia-based composite oxide,
The Ce content is 43 to 49 at%;
The content of Pr or La is 0.5 to 4.9 at%;
The Sc content is 0.5 to 4.9 at%;
the atomic ratio of Ce to Zr (Ce/Zr) is 45/55 to 51/49;
An oxygen storage material characterized by:
[Sc-Zr]-[Sc-Ce]>0.000 (1)
[MPL-Ce]-[MPL-Zr]>0.028 (2)
(前記式中、[Sc-Zr]はSc分布図とZr分布図とのZNCC係数値を表し、[Sc-Ce]はSc分布図とCe分布図とのZNCC係数値を表し、[MPL-Ce]はPr又はLa分布図とCe分布図とのZNCC係数値を表し、[MPL-Zr]はPr又はLa分布図とZr分布図とのZNCC係数値を表す。)
で表される条件を満たすことを特徴とする請求項1に記載の酸素貯蔵材料。 The zero-mean normalized correlation coefficients (ZNCC) [Sc-Zr], [Sc-Ce], [M PL-Ce], and [M PL - Zr] calculated based on the Sc distribution map, Pr or La distribution map, and Ce distribution map in the element mapping image obtained by energy dispersive X-ray analysis are expressed by the following formulas (1) and (2):
[Sc-Zr]-[Sc-Ce]>0.000 (1)
[M PL -Ce] - [M PL -Zr]>0.028 (2)
(In the above formula, [Sc-Zr] represents the ZNCC coefficient value between the Sc distribution map and the Zr distribution map, [Sc-Ce] represents the ZNCC coefficient value between the Sc distribution map and the Ce distribution map, [M PL -Ce] represents the ZNCC coefficient value between the Pr or La distribution map and the Ce distribution map, and [M PL -Zr] represents the ZNCC coefficient value between the Pr or La distribution map and the Zr distribution map.)
2. The oxygen storage material according to claim 1, wherein the oxygen storage material satisfies the condition expressed by the following formula:
全カチオンに対して、Ceの含有量が43~49at%であり、Pr又はLaの含有量が0.5~4.9at%であり、Scの含有量が0.5~4.9at%であり、CeとZrとの原子比(Ce/Zr)が45/55~51/49である、スカンジウムとプラセオジム又はランタンとを含有するセリア-ジルコニア系固溶体粉末を準備する工程と、
前記スカンジウムとプラセオジム又はランタンとを含有するセリア-ジルコニア系固溶体粉末を30~350MPaの圧力で加圧成形した後、1400~2000℃の温度条件で還元処理し、さらに酸化処理して請求項1に記載のスカンジウムとプラセオジム又はランタンとを含有するパイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物を含有する酸素貯蔵材料を得る工程と、
を含むことを特徴とする酸素貯蔵材料の製造方法。 A method for producing an oxygen storage material containing a pyrochlore-type ceria (CeO 2 )-zirconia (ZrO 2 ) composite oxide containing scandium (Sc) and praseodymium (Pr) or lanthanum (La), comprising:
a step of preparing a ceria-zirconia-based solid solution powder containing scandium and praseodymium or lanthanum, wherein the Ce content is 43 to 49 at%, the Pr or La content is 0.5 to 4.9 at%, the Sc content is 0.5 to 4.9 at%, and the atomic ratio of Ce to Zr (Ce/Zr) is 45/55 to 51/49, relative to all cations;
a step of compacting the ceria-zirconia solid solution powder containing scandium and praseodymium or lanthanum at a pressure of 30 to 350 MPa, reducing the powder at a temperature of 1400 to 2000°C, and then oxidizing the powder to obtain an oxygen storage material containing the pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide containing scandium and praseodymium or lanthanum according to claim 1;
A method for producing an oxygen storage material, comprising:
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