【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]
産業上の利用分野
本発明は、排ガス中の有害ガス成分を浄化処理
する触媒に関する。
従来例の構成とその問題点
従来より安価な排ガスを浄化触媒として、本発
明のものに近い組成のペロブスカイト型複合酸化
物であるLa0.5Sr0.5MnO3やLa0.8Sr0.2CoO3が検討
されてきた。これらは耐熱性に富むうえ、他の貴
金属系触媒に匹敵する触媒活性を有するなどの利
点があるが、その処理対象が排ガス中の還元性ガ
スであるCOや炭化水素HCであり、同じ排ガスに
含まれる酸化性ガスのNOxの処理に関しては殆
んど試みられていない。また、これらの酸化物の
触媒活性もそれほど高いものではなく、さらには
還元ガス雰囲気に長時間さられると構造変化を生
じて触媒活性の低下を招いたり、再現性がなくな
つたりする等信頼性に乏しいという欠点をもつて
いる。
発明の目的
本発明は、前記の欠点に鑑み、触媒活性の向上
と特性の安定化を図り、かつ還元性ガスの酸化と
酸化性ガスの分解還元を同時に行うことのできる
触媒を提供することを目的とする。
発明の構成
本発明は、一般式
INDUSTRIAL APPLICATION FIELD The present invention relates to a catalyst that purifies harmful gas components in exhaust gas. Structure of conventional examples and their problems La 0.5 Sr 0.5 MnO 3 and La 0.8 Sr 0.2 CoO 3 , which are perovskite-type composite oxides with compositions similar to those of the present invention, have been studied using cheaper exhaust gas as a purification catalyst. Ta. These have the advantage of being highly heat resistant and having catalytic activity comparable to other precious metal catalysts, but their targets are CO and hydrocarbon HC, which are reducing gases in exhaust gas, and they cannot be used in the same exhaust gas. Almost no attempts have been made to treat the included oxidizing gas NOx . In addition, the catalytic activity of these oxides is not very high, and furthermore, when exposed to a reducing gas atmosphere for a long time, structural changes occur, leading to a decrease in catalytic activity, loss of reproducibility, etc. It has the disadvantage of being lacking in OBJECTS OF THE INVENTION In view of the above-mentioned drawbacks, the present invention aims to improve catalyst activity and stabilize characteristics, and to provide a catalyst that can simultaneously oxidize reducing gases and decompose and reduce oxidizing gases. purpose. Structure of the invention The present invention is based on the general formula
【式】
(MeはFe、Mn、Cr、V、Tiの内から選ぶ一種の
元素、0<x<1)で表され、還元性ガスの酸化
と酸化性ガスの分解還元を同時に行う能力をもつ
たペロブスカイト型複合酸化物からなる触媒であ
る。各成分元素の比を式のように定めた時触媒活
性が最も高くなり、またBサイトのCoをMe元素
で置換することにより還元雰囲気にも強く、安定
した活性が得られることを見出したことに基づく
ものである。
実施例の説明
第1図は組成がLa1-xSrxCo1-yFeyO3である酸
化物触媒の活性例を示すものである。触媒は、所
定の組成になるように各成分元素の酸化物あるい
は炭酸塩、酢酸塩などの塩を混合し、焼成して得
た複合酸化物を1g/個の円柱状ペレツトに成形
した焼結したものを用いた。作製した触媒ペレツ
ト4個を一定容積の反応容器に入れ、大気圧に調
整したCO100ppm、O25%、残部N2の均一混合ガ
スを流入させ、触媒に接触して1分間経過した時
の容器内のガス圧を測定し、その変化率をもつて
触媒活性とした。温度は300℃一定とした。
これから、y=0でx=0.5、y=0.3でx=
0.65、y=0.6でx=0.8、y=1.0でx=1.0の各元
素比になる場合にガス圧変化率がそれぞれ最大、
即ち活性が最大になることがわかる。また、Aサ
イトおよびBサイトそれぞれのSr、Fe置換量を
ある程度多くする方が活性が向上することも明ら
かである。
第2図は前記と同じ組成の触媒についてNO2
の分解に関して得たデータの一例である。前記と
同様に作製した触媒ペレツト45個を内径20mmの石
英管に充填し、電気炉に固定して温度を300℃に
一定にした。NO240ppm、残部N2の均一混合ガ
スを触媒層に流入し、定常状態に達した時の出口
側NO2濃度を測定して流入ガス濃度に対する減
少率を求めたものである。
この場合にも、先のCO酸化の場合と同様に、
y=0でx=0.5、y=0.3でx=0.65、y=0.6で
x=0.8、y=1.0でx=1.0の各元素比になる場合
にNO2除去率がそれぞれ最大になる結果を得た。
第1図および第2図の各曲線において、活性ピ
ークを示す組成はLa0.5Sr0.5CoO3、La0.35Sr0.65
Co0.7Fe0.3O3、La0.2Sr0.8Co0.4Fe0.6O3、SrFeO3、
である。LaCoO3においてはCoは+3価で存在し
ているが、AサイトのLaをSr+2で置換すると
Co4+が生じる。さらにBサイトのCoを置換する
Feが+4価で入るとすると、前記4つの組成の
酸化物においては電気的中性の条件からCo+3と
Co4+が等量存在することになる。つまり、Co3+
とCo4+が等量存在するようにAサイトおよびB
サイトの置換量を決定するこによつて高活性を付
与できると考えられる。即ち、Bサイト置換元素
Meの置換量をxとすると、活性の高い酸化物組
成を[Formula] (Me is an element selected from Fe, Mn, Cr, V, and Ti, 0<x<1), and has the ability to simultaneously oxidize reducing gases and decompose and reduce oxidizing gases. This is a catalyst made of a perovskite-type complex oxide. It was discovered that the catalytic activity is highest when the ratio of each component element is determined as shown in the formula, and that by replacing Co at the B site with Me element, stable activity can be obtained that is resistant to reducing atmospheres. It is based on Description of Examples FIG. 1 shows an example of the activity of an oxide catalyst having the composition La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3 . The catalyst is a sintered composite oxide obtained by mixing oxides of each component element or salts such as carbonates and acetates so as to have a predetermined composition and baking the resulting composite oxide into cylindrical pellets weighing 1 g/piece. I used the one I made. Four of the prepared catalyst pellets were placed in a reaction container with a fixed volume, and a homogeneous mixed gas of 100 ppm CO, 5% O 2 , and the balance N 2 adjusted to atmospheric pressure was introduced into the container, and the container was exposed to the catalyst for 1 minute. The gas pressure inside was measured, and the rate of change was defined as the catalytic activity. The temperature was kept constant at 300°C. From this, when y=0, x=0.5, and when y=0.3, x=
When the element ratio becomes 0.65, y=0.6 and x=0.8, and y=1.0 and x=1.0, the gas pressure change rate is maximum, respectively.
That is, it can be seen that the activity is maximized. It is also clear that the activity is improved by increasing the amounts of Sr and Fe substitution at the A site and the B site to some extent. Figure 2 shows NO 2 for a catalyst with the same composition as above.
This is an example of data obtained regarding the decomposition of . Forty-five catalyst pellets prepared in the same manner as above were filled into a quartz tube with an inner diameter of 20 mm, and the tube was fixed in an electric furnace and the temperature was kept constant at 300°C. A homogeneous mixed gas containing 40 ppm of NO 2 and the remainder of N 2 was introduced into the catalyst layer, and when a steady state was reached, the NO 2 concentration on the outlet side was measured to determine the rate of decrease with respect to the inflow gas concentration. In this case, as in the case of CO oxidation,
The NO 2 removal rate is maximized when each element ratio is x = 0.5 at y = 0, x = 0.65 at y = 0.3, x = 0.8 at y = 0.6, and x = 1.0 at y = 1.0. Obtained. In each curve of FIG. 1 and FIG. 2, the compositions showing the activity peak are La 0.5 Sr 0.5 CoO 3 and La 0.35 Sr 0.65.
Co 0.7 Fe 0.3 O 3 , La 0.2 Sr 0.8 Co 0.4 Fe 0.6 O 3 , SrFeO 3 ,
It is. In LaCoO 3 , Co exists with a valence of +3, but when La at the A site is replaced with Sr +2
Co 4+ is produced. Furthermore, replace Co at B site
Assuming that Fe enters with a valence of +4, in the oxides with the above four compositions, it becomes Co +3 due to the electrically neutral condition.
Equal amounts of Co 4+ will be present. That is, Co 3+
A site and B site so that equal amounts of Co 4+ and Co 4+ are present.
It is thought that high activity can be imparted by determining the amount of site substitution. That is, B site substitution element
If the Me substitution amount is x, then the highly active oxide composition is
【式】と表すことがで
きる。
次にx=0.3とした場合、即ちLa0.35Sr0.65Co0.7
Me0.3O3と表せる酸化物の触媒活性について示
す。
第3図はCOげ減少率、第4図はNO2減少率を
それぞれ示すものである。前述の場合と同様にし
て作製した触媒ペレツト40個を内径20mmの石英管
に充填し、電気炉に固定して温度を300℃に保つ
たまま、CO150ppm、NO250ppm、残部N2の均
一混合ガスを触媒層に流入し、定常状態になつた
ときの出口ガス側各濃度を測定して流入ガス濃度
に対する減少率を求めた。
また、このデータは特定安定性をも合わせて示
している。即ち、上記触媒ペレツト40個を直径
120mmの耐熱耐食性金網2枚で均一にはさみこん
だものをポータブルガスストーブの燃焼筒の上部
に置き、30分燃焼、30分消火のサイクルを1000回
繰り返した。燃焼時の触媒層の温度は約700℃で
ある。そして1000回毎に上記の活性測定を行い、
計5000回これを行つた。比較としてLa0.5Sr0.5
MnO3とLa0.8Sr0.2CoO3を同様の触媒ペレツトに
なして試験に供した。CO減少率NO2除去率共に
La0.35Sr0.65Co0.7Me0.33(Me=Fe、Mn、Cr、V、
Ti)の活性が高く、しかも5000回の燃焼試験後
も活性低下はほとんどない。これに比べてLa0.5
Sr0.5MnO3とLa0.8Sr0.2CoO3は活性および安定性
共に劣つている。Bサイト置換および置換量の効
果が高活性と同時に高い特性安定性に表われてい
ると考えられる。
次に、La0.35Sr0.65Co0.7Fe0.33、La0.35Sr0.65Co0.7
Mn0.3O3、La0.5Sr0.5MnO3の触媒ペレツト各50個
をステンレス鋼SUS316の金鋼ではさみこんだも
のを実際のガス燃焼装置に組み込んで燃焼試験を
した結果を示す。第5図はこの燃焼部の概略断面
図である。1はバーナー、2はバーナー1の周囲
を包囲した筒3の開口部に金網4で挟んで設置し
た触媒ペレツトである。燃焼時の触媒層上流側の
排ガス温度は約600℃であつた。次表にその結果
を示す。It can be expressed as [Formula]. Next, when x=0.3, that is, La 0.35 Sr 0.65 Co 0.7
The catalytic activity of an oxide expressed as Me 0.3 O 3 will be shown. Figure 3 shows the CO reduction rate, and Figure 4 shows the NO 2 reduction rate. Fill a quartz tube with an inner diameter of 20 mm with 40 catalyst pellets prepared in the same manner as in the previous case, fix it in an electric furnace, and uniformly mix 150 ppm of CO, 50 ppm of NO 2 , and the balance N 2 while maintaining the temperature at 300°C. Gas was introduced into the catalyst layer, and each concentration on the outlet gas side when a steady state was reached was measured to determine the rate of decrease with respect to the inflow gas concentration. This data also shows specific stability. That is, the diameter of 40 catalyst pellets is
A piece of 120mm heat-resistant and corrosion-resistant wire mesh sandwiched evenly between two pieces was placed on top of the combustion tube of a portable gas stove, and the cycle of 30 minutes of burning and 30 minutes of extinguishing was repeated 1000 times. The temperature of the catalyst layer during combustion is approximately 700°C. Then, perform the above activity measurement every 1000 times,
I did this a total of 5000 times. La 0.5 Sr 0.5 as comparison
Similar catalyst pellets of MnO 3 and La 0.8 Sr 0.2 CoO 3 were tested. Both CO reduction rate and NO 2 removal rate
La 0.35 Sr 0.65 Co 0.7 Me 0.33 (Me=Fe, Mn, Cr, V,
Ti) has high activity, and there is almost no decrease in activity even after 5000 combustion tests. Compared to this La 0.5
Sr 0.5 MnO 3 and La 0.8 Sr 0.2 CoO 3 are inferior in both activity and stability. It is thought that the effects of the B-site substitution and the amount of substitution are reflected in the high activity and high property stability at the same time. Next, La 0.35 Sr 0.65 Co 0.7 Fe 0.33 , La 0.35 Sr 0.65 Co 0.7
The results of a combustion test in which 50 catalyst pellets each of Mn 0.3 O 3 and La 0.5 Sr 0.5 MnO 3 sandwiched between stainless steel SUS316 gold steel were incorporated into an actual gas combustion device are shown. FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of this combustion section. 1 is a burner, and 2 is a catalyst pellet placed in the opening of a cylinder 3 surrounding the burner 1 and sandwiched between wire meshes 4. The exhaust gas temperature on the upstream side of the catalyst layer during combustion was approximately 600°C. The results are shown in the table below.
【表】
この試験結果からも明らかなように、本発明に
よる触媒は、類似の従来例に比べてはるかに浄化
能力が高い。
上記の実施例ではペレツト状の触媒について説
明したが、多数の通気孔を有するハニカム状構造
にしたり、各種の相体に担持させることもでき
る。担体に担持させる方法としては、例えば触媒
構成成分の酢酸塩の混合水溶液を多孔質アルミナ
担体に含浸し、約400℃で前記塩を熱分解した後、
空気中において1100℃で3時間程度焼成すること
によつて、担体に触媒を担持させることもでき
る。
発明の効果
以上のように、本発明の触媒は、還元性ガスの
酸化と酸化性ガスの分解還元を同時にしかも高い
効率で行う活性をもち、しかも特性が極めて安定
している。従来の類似触媒では得られなかつた高
い活性と安定性をもち、高耐熱性も有している。
さらに、比較的安価であり、製造も容易であるた
め、排ガス浄化触媒として極めて有用なものであ
る。[Table] As is clear from the test results, the catalyst according to the present invention has a much higher purification ability than similar conventional examples. Although pellet-shaped catalysts have been described in the above embodiments, they can also be formed into a honeycomb-like structure having a large number of ventilation holes, or supported on various types of phase bodies. As a method for supporting the catalyst on a carrier, for example, a porous alumina carrier is impregnated with a mixed aqueous solution of acetate as a component of the catalyst, and the salt is thermally decomposed at about 400°C.
The catalyst can also be supported on the carrier by calcining in air at 1100°C for about 3 hours. Effects of the Invention As described above, the catalyst of the present invention has an activity of simultaneously oxidizing a reducing gas and decomposing and reducing an oxidizing gas with high efficiency, and has extremely stable characteristics. It has high activity and stability that cannot be obtained with conventional similar catalysts, and also has high heat resistance.
Furthermore, since it is relatively inexpensive and easy to manufacture, it is extremely useful as an exhaust gas purification catalyst.
【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]
第1図はLa1-xSrxCo1-yFeyO3のCO酸化活性を
示した図、第2図は同じくNO2分解還元活性を
示した図、第3図はLa0.35Sr0.65Co0.7Me0.3O3(Me
=Fe、Mn、Cr、V、Ti)と従来例のCO酸化活
性および性能安定性を比較して示す図、第4図は
同じくNO2分解還元活性を示す図、第5図はガ
ス燃焼装置に触媒を取り付けた状態を示す縦断面
略図である。
Figure 1 shows the CO oxidation activity of La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3 , Figure 2 also shows the NO 2 decomposition reduction activity, and Figure 3 shows the CO oxidation activity of La 1-x Sr x Co 1- y Fe y O 3. Co 0.7 Me 0.3 O 3 (Me
= Fe, Mn, Cr, V, Ti) and the conventional example. Figure 4 is a diagram also showing the NO 2 decomposition reduction activity. Figure 5 is the gas combustion equipment. FIG. 2 is a schematic vertical cross-sectional view showing a state in which a catalyst is attached to the holder.