(57)【要約】【課題】高温耐久後における低中温での有効Ｃｅ率の高い排気ガス浄化用触媒が得られる触媒用粉末を提供すること。【解決手段】本発明の触媒用粉末は、セリア及びジルコニアを含むコア部と、該コア部上に位置し、セリア及びジルコニアを含む表層部とを有し、粉末全体のセリウムのモル分率Ｍ１（ｍｏｌ％）に対し、Ｘ線光電子分光法で測定される表層部のセリウムのモル分率Ｍ２（ｍｏｌ％）の比（Ｍ２／Ｍ１）が０．３０以上０．９５以下である。粉末全体のジルコニウムのモル分率Ｍ３（ｍｏｌ％）と粉末全体のセリウムのモル分率Ｍ１（ｍｏｌ％）の比をＭ３/１（＝Ｍ３/Ｍ１）とし、Ｘ線光電子分光法で測定されるジルコニウムのモル分率Ｍ４（ｍｏｌ％）とＸ線光電子分光法で測定されるセリウムのモル分率Ｍ２（ｍｏｌ％）の比をＭ４/２（＝Ｍ４/Ｍ２）としたときにＭ３/１とＭ４/２の比（Ｍ４/２／Ｍ３/１）が１．１以上５．０以下であることが好ましい。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
セリア及びジルコニアを含むコア部と、該コア部上に位置し、セリア及びジルコニアを含む表層部とを有する触媒用粉末であって、
前記粉末全体のセリウムのモル分率Ｍ１（ｍｏｌ％）に対し、Ｘ線光電子分光法で測定される前記表層部のセリウムのモル分率Ｍ２（ｍｏｌ％）の比（Ｍ２／Ｍ１）が０．３０以上０．９５以下である、触媒用粉末。
【請求項２】
セリア及びジルコニアを含むコア粒子と、該コア粒子の表面に担持されたセリア及びジルコニアを含む被担持金属酸化物とを有し、
前記表層部が被担持金属酸化物の少なくとも一部を構成する請求項１に記載の触媒用粉末。
【請求項３】
Ｘ線光電子分光法で測定される表層部のジルコニウムのモル分率をＭ４（ｍｏｌ％）、Ｘ線光電子分光法で測定される表層部のセリウムのモル分率をＭ２（ｍｏｌ％）としたとき、Ｍ４と前記Ｍ２の比であるＭ４/２（＝Ｍ４/Ｍ２）が１より大きい請求項１又は２に記載の触媒用粉末。
【請求項４】
前記粉末全体のジルコニウムのモル分率Ｍ３（ｍｏｌ％）と前記粉末全体のセリウムのモル分率Ｍ１（ｍｏｌ％）の比をＭ３/１（＝Ｍ３/Ｍ１）とし、Ｘ線光電子分光法で測定されるジルコニウムのモル分率Ｍ４（ｍｏｌ％）とＸ線光電子分光法で測定されるセリウムのモル分率Ｍ２（ｍｏｌ％）の比をＭ４/２（＝Ｍ４/Ｍ２）としたときに前記Ｍ３/１とＭ４/２の比（Ｍ４/２／Ｍ３/１）が１．１以上５．０以下である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の触媒用粉末。
【請求項５】
前記粉末全体の１００質量部に対し、セリア以外の希土類元素酸化物及び／又はアルカリ土類金属酸化物を１質量部以上２０質量部以下含有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の触媒用粉末。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の触媒用粉末と、該触媒用粉末に担持された貴金属とを含有する、排気ガス浄化用触媒。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セリア及びジルコニアを含有する触媒用粉末及び該触媒用粉末を用いた排気ガス浄化用触媒に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車やバイク等の内燃機関から排出される排気ガス中にはＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ（窒素酸化物）等の有害成分が含まれている。
従来から、これらの有害成分を浄化して無害化する目的で三元触媒が用いられている。それらの三元触媒の中には、排気ガスの酸素濃度の変動を緩和させてＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを効率よく浄化させるためにＯＳＣ（酸素貯蔵能：Oxygen Storage Capacity）を有する材料を触媒構成材として使用しているものもあり、このＯＳＣを有する材料としてＣｅＯ２及びＺｒＯ２の固溶体を使用しているものがある。ＣｅＯ２及びＺｒＯ２の固溶体は、周囲の雰囲気によって結晶構造中の酸素を吸放出するＯＳＣを有している。
【０００３】
例えば、特許文献１には、ＣｅＯ２−ＺｒＯ２の固溶体からなるコア材の表面にＣｅＯ２が担持された内燃機関排気ガス浄化用触媒のための担体が記載されている。特許文献２には、コアがジルコニアで該コアの表面にセリアジルコニアとセリアとが存在している自動車排気ガス浄化用助触媒材であって、８００℃でのセリア利用率が９１〜９７％を有するものが記載されている。特許文献３には金属酸化物粒子にロジウムが担持されてなる排気ガス浄化用触媒であって、前記金属酸化物粒子がセリアを比較的多く含む中心部とジルコニアを比較的多く含む外皮部とを有する排気ガス浄化用触媒が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】ＵＳ２０１４０３８８１８Ａ１
【特許文献２】特開２０１４−０３０８０１号公報
【特許文献３】ＵＳ２００７１２９２４６Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、排気ガス規制が厳しくなってきており、内燃機関排気ガス浄化用触媒については、触媒がまだ十分に暖まっていない運転開始初期の低温から中温（以下、低中温ということもある）での有害成分の浄化が強く求められている。特許文献１における排気ガス浄化用触媒のための担体は、低中温でのＯＳＣを考慮したものではあるが、低温における有効Ｃｅ率の点、特に高温耐久後の有効Ｃｅ率の点で改善の余地がある。ここで有効Ｃｅ率とは、粉末全体に存在しているＣｅの量に対する、ＯＳＣに寄与しうるＣｅの比率をいう。
一方、特許文献２での助触媒材は、高温での有効Ｃｅ率が高いとされているが、コア材をジルコニアとしており、コア部がＯＳＣを有していないため、総ＯＳＣが低い。また特許文献２は低中温での有効Ｃｅ率について何ら検討していない。
更に、特許文献３に記載のように表面がジルコニアからなる触媒は、外皮部にＯＳＣを有していないため、低中温の有効Ｃｅ率の点で十分なものでなかった。
【０００６】
本発明の課題は、前述した従来技術が有する種々の欠点を解消し得る触媒用粉末及び該触媒用粉末を用いた排気ガス浄化用触媒を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、触媒用粉末のコア部及び表層部の両方にＣｅＯ２及びＺｒＯ２を含有させ、且つコア部に比べて表層部におけるＣｅＯ２量を少なくすることで、驚くべきことに、高温耐久後における低中温での有効Ｃｅ率を大きく向上させることができることを見出し、本発明を完成させた。
【０００８】
すなわち本発明は、セリア及びジルコニアを含むコア部と、該コア部上に位置し、セリア及びジルコニアを含む表層部とを有する触媒用粉末であって、
前記粉末全体のセリウムのモル分率Ｍ１（ｍｏｌ％）に対し、Ｘ線光電子分光法で測定される前記表層部のセリウムのモル分率Ｍ２（ｍｏｌ％）の比（Ｍ２／Ｍ１）が０．３０以上０．９５以下である、触媒用粉末を提供するものである。
【０００９】
また本発明は触媒用粉末と、該触媒用粉末に担持された貴金属とを含有する、排気ガス浄化用触媒を提供するものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、高温耐久後における低中温での有効Ｃｅ率の高い排気ガス浄化用触媒が得られる触媒用粉末が提供される。本発明の触媒用粉末及び排気ガス浄化用触媒はこの特性を生かし、自動車やバイク等の内燃機関における排気ガス浄化用触媒用途に有用に用いられる。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下本発明を、その好ましい実施形態に基づき説明する。
本発明の触媒用粉末は、セリア及びジルコニアを含むコア部と、該コア部上に位置し、セリア及びジルコニアを含む表層部とを有する触媒用粉末である。このように本発明の触媒用粉末はコア部及び表層部の両方に、セリア及びジルコニアを含むことを特徴の一つとしている。コア部及び表層部はいずれも、セリアとして、ジルコニアとの固溶体を含んでいることが好ましい。しかしながら本発明の効果を損なわない範囲で、セリアとして、セリア単独相を含んでいてもよい。表層部は、通常コア部の表面に存在し、コア部の表面の全体を被覆していることが好ましい。しかし、本発明の効果を損なわない範囲で、一部にコア部の表面が露出している部位があってもよい。
【００１２】
なお、粉末がコア部及び表層部を有する構造をしており、且つセリア及びジルコニアを含むコア部を有することはＳＴＥＭ−ＥＤＸ等により確認できる。また粉末がセリア及びジルコニアを含む表層部を有することは、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）により確認でき、またＳＴＥＭ−ＥＤＸにより確認してもよい。コア部と表層部の組成の分離は難しいため、本発明の中では、Ｘ線光電子分光の測定により、粉末の表面の情報を得ている。粉末全体の組成とＸ線光電子分光から得られる組成の違いは、全体組成と表面組成が異なること、つまり、組成の異なる表面（表層部）とコア部の存在を意味する。従って、本発明の触媒用粉末は、粉末中心から表面にかけて組成が段階的（不連続的）に変化する形態（例えば、互いに異なる所定の組成を有するコア部と表層部とが、界面を隔てて存在する形態）であってもよいが、それに限定されず、例えば、中心部から表層部に掛けて組成が連続的（漸次的）に変化する形態であってもよい。
【００１３】
本発明者は高温耐久後の低中温での高い有効Ｃｅ率が得られる触媒用粉末の構成を鋭意検討した結果、触媒用粉末をコア部と表層部との両方においてセリア及びジルコニアを含ませ、且つ、表層部におけるセリアの割合がコア部に比べて一定の割合で低いものとすると、高温耐久後の低中温において、酸素の吸放出の効率性を大きく向上させることを見出した。
本発明のセリア及びジルコニアを含有する触媒用粉末は、粉末全体のセリウムのモル分率Ｍ１（ｍｏｌ％）に対するＸ線光電子分光法で測定される触媒用粉末表面のセリウムのモル分率Ｍ２（ｍｏｌ％）の比を指標とする。本発明では粉末全体のセリウムのモル分率Ｍ１（ｍｏｌ％）に対し、Ｘ線光電子分光法で測定されるセリウムのモル分率Ｍ２（ｍｏｌ％）の比（Ｍ２／Ｍ１）が０．３０以上０．９５以下である。  
【００１４】
上述した本発明の効果を一層高める観点から、Ｍ２／Ｍ１は、好ましくは、０．５０以上０．９０以下であり、より好ましくは０．７５以上０．９０以下である。Ｘ線光電子分光法によるモル分率Ｍ２の測定は後述する実施例に記載する方法により行うことができる。本発明において、Ｘ線光電子分光法による特定金属のモル分率は、「Ｘ線光電子分光法により測定される粉末表面に存在する全ての金属原子のモル数」に対する特定金属原子のモル数の割合を表す。すなわち表層部とは、Ｘ線光電子分光法により測定される粉末の表面部を指す。またコア部とは、該表層部よりも粒子の中心側に位置する部分を指す。粉末全体のセリウムのモル分率Ｍ１は製造時の原料の組成により算出するか、粉末をアルカリ溶融等で溶解して得られる溶液中のセリウムの量をＩＣＰ−ＡＥＳで測定することにより測定できる。後述する粉末全体に対するジルコニウムのモル分率Ｍ３も同様である。
【００１５】
Ｘ線光電子分光法で測定される前記表層部のセリウムのモル分率Ｍ２は１．０ｍｏｌ％以上であることが粉末表面に一定量のセリアを含有させることで低中温でのＯＳＣを高める観点から好ましく、４９．０ｍｏｌ％以下であることが高熱耐久後の有効Ｃｅ率を向上させるという本発明の効果を高める観点から好ましい。これらの観点から、Ｍ２は１．０ｍｏｌ％以上４０．０ｍｏｌ％以下であることが好ましく、３．０ｍｏｌ％以上４０．０ｍｏｌ％以下であることがより好ましく、５．０ｍｏｌ％以上３０．０ｍｏｌ％以下であることが更に好ましい。
【００１６】
粉末全体のセリウムのモル分率Ｍ１は、本発明の効果をより高める観点から、３．０ｍｏｌ％以上４９．０ｍｏｌ％以下であることが好ましく、１０．０ｍｏｌ％以上４５．０ｍｏｌ％以下であることがより好ましい。
【００１７】
本発明の触媒用粉末においては、表層部におけるジルコニアの割合をセリアより多くすることが高熱耐久後における低中温での有効Ｃｅ率を高めるという本発明の効果をより確実に奏させるために好ましい。この指標として、Ｘ線光電子分光法で測定される前記表層部のセリウムのモル分率Ｍ２に対するＸ線光電子分光法で測定される前記表層部のジルコニウムのモル分率Ｍ４（ｍｏｌ％）の比率Ｍ４/２（＝Ｍ４/Ｍ２）が挙げられる。具体的には、比率Ｍ４/２は、１よりも大きいことが高熱耐久後の低中温での有効Ｃｅ率を高める観点から好ましい。またこの比率Ｍ４/２は、３０以下であることが触媒用粉末のＯＳＣを十分なものとする観点から好ましい。これらの観点から、Ｍ４/２は１．１以上２０．０以下であることがより好ましく、１．１以上１５．０以下であることが更に好ましい。
【００１８】
本発明の触媒用粉末においては、粉末全体のジルコニウムのモル分率Ｍ３（ｍｏｌ％）と粉末全体のセリウムのモル分率Ｍ１との比率Ｍ３/１（＝Ｍ３/Ｍ１）に対する、前記Ｍ４/２の比（Ｍ４/２／Ｍ３/１）が１．１以上５．０以下となることが好ましい。この比（Ｍ４/２／Ｍ３/１）が１．１以上であることは、粉末表面におけるジルコニア／セリアのモル比が、粉末全体におけるジルコニア／セリアのモル比を一定以上上回ることを意味する。このような触媒用粉末は、熱耐久後の有効Ｃｅ率を高めるという本発明の効果を更に確実に奏させる観点から好ましい。また、前記の比（Ｍ４/２／Ｍ３/１）が５．０以下であることは、耐熱性とＯＳＣを両立した触媒用粉末とできる観点や、熱耐久後の有効Ｃｅ率を高めるという本発明の効果の観点から好ましい。これらの観点から、比（Ｍ４/２／Ｍ３/１）は、１．１以上３．５以下であることがより好ましく、１．１以上２．０以下であることが更に好ましく、１．２以上２．０以下であることが更に一層好ましい。
【００１９】
本発明の効果をより高める観点から、粉末全体のセリウムのモル分率Ｍ１に対する粉末全体のジルコニウムのモル分率Ｍ３（ｍｏｌ％）の比率Ｍ３/１（＝Ｍ３/Ｍ１）は１．０以上２０．０以下であることが好ましく、１．０以上１０．０以下であることがより好ましい。
【００２０】
Ｘ線光電子分光法で測定される表層部のジルコニウムのモル分率Ｍ４は５０．０ｍｏｌ％以上であることが粉末表面に一定のジルコニアを含有させることで耐熱性を高める観点から好ましく、９０．０ｍｏｌ％以下であることがセリアによるＯＳＣを十分なものとする観点から好ましい。これらの観点から、Ｍ４は５０．０ｍｏｌ％以上８０．０ｍｏｌ％以下であることがより好ましく、５５．０ｍｏｌ％以上８０．０ｍｏｌ％以下であることが更に好ましい。なお、粉末全体のジルコニウムのモル分率Ｍ３（ｍｏｌ％）に対するＸ線光電子分光法で測定される前記ジルコニウムのモル分率Ｍ４の比率（Ｍ４／Ｍ３）は、１．０以上１．９以下であることが好ましく、１．０以上１．７以下であることがより好ましい。
【００２１】
粉末全体のジルコニウムのモル分率Ｍ３は、本発明の効果をより高める観点から、５０．０ｍｏｌ％以上９５．０ｍｏｌ％以下であることが好ましく、５０．０ｍｏｌ％以上９０．０ｍｏｌ％以下であることがより好ましく、５０．０ｍｏｌ％以上８０．０ｍｏｌ％以下であることが更に好ましい。粉末全体のジルコニウムのモル分率Ｍ３は、粉末全体のセリウムのモル分率Ｍ１と同様の方法にて求めることができる。
【００２２】
触媒用粉末は、セリア以外の希土類元素酸化物及び／又はアルカリ土類金属酸化物を含有することが好ましい。セリア以外の希土類元素の酸化物及び／又はアルカリ土類金属酸化物を含有することで、高温耐久後の低中温における有効Ｃｅ率を向上させることができ、また、貴金属―担体相互作用により貴金属分散度を高めることができる。セリウム以外の希土類元素としては、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）及びルテチウム（Ｌｕ）を挙げることができる。これらの中でも、特にイットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、プラセオジム（Ｐｒ）及びネオジム（Ｎｄ）から選ばれる１種又は２種以上を用いることで貴金属分散度を高めることができる。これらの酸化物は、プラセオジム（Ｐｒ）、テルビウム（Ｔｂ）のときを除いてセスキ酸化物（Ｌｎ2Ｏ3、Ｌｎは希土類元素）である。酸化プラセオジムは通常ｘ＝６、ｙ＝１１のＰｒ6Ｏ11であり、酸化テルビウムは通常ｘ＝４、ｙ＝７のＴｂ4Ｏ7である。またアルカリ土類金属としては、ストロンチウム（Ｓｒ）及び／又はバリウム（Ｂａ）が好ましく挙げられる。これら、希土類元素の酸化物及び／又はアルカリ土類金属酸化物は、セリア及び／又はジルコニアと固溶体を形成していてもよく、形成していなくてもよい。これらの中でも、イットリア（Ｙ２Ｏ３）、酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）、酸化プラセオジム（Ｐｒ6Ｏ11）、酸化ネオジム（Ｎｄ２Ｏ３）、酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）、酸化バリウム（ＢａＯ）から選ばれる１種又は２種以上を含有することが好ましい。
【００２３】
触媒用粉末は、セリア以外の希土類元素酸化物及び／又はアルカリ土類金属酸化物を１種のみ含有していてもよいが、２種以上含有していることが本発明の効果を高める観点から好ましく、３種以上含有していることが更に好ましい。これにより、それぞれの添加元素が発揮する耐熱性、構造安定性などの効果を併せ持つことで、低中温での有効Ｃｅ率をより向上させることができる。コア部と表層部とが同一のＣｅ以外の希土類元素及び／又はアルカリ土類金属元素を有していてもよく、異なる種類のＣｅ以外の希土類元素及び／又はアルカリ土類金属元素を有していてもよい。また、貴金属分散度の向上が図れるセリア以外の希土類元素酸化物と、高温での貴金属のシンタリングが抑制されるアルカリ土類金属酸化物とを組み合わせた設計とした場合についても、貴金属分散度の更なる向上が図れる観点から好ましい。
【００２４】
セリア以外の希土類元素酸化物及び／又はアルカリ土類金属酸化物の量は、前記粉末全体の１００質量部に対し、１質量部以上２０質量部以下であることが好ましい。１質量部以上であることにより、上述した希土類元素酸化物による効果をより高めることができる観点から好ましい。また２０質量部以下であることが、セリアの量を確保してＯＳＣを向上させる効果を高める観点から好ましい。これらの観点からセリア以外の希土類元素酸化物の含有量は、前記粉末全体の１００質量部に対し、２質量部以上２０質量部以下であることがより好ましく、４質量部以上２０質量部以下であることが更に好ましい。特に、貴金属分散度を向上させる観点からセリア以外の希土類元素酸化物及び／又はアルカリ土類金属酸化物の量は、前記粉末全体の１００質量部に対し、５質量部以上であることが好ましい。粉末中のセリア以外の希土類元素酸化物及び／又はアルカリ土類金属酸化物の量は、粉末全体のセリウムのモル分率Ｍ１と同様、粉末をアルカリ溶融等で溶解して得られる溶液中のセリウムの以外の希土類元素及び／又はアルカリ土類金属元素の量をＩＣＰ−ＡＥＳで測定することにより測定できる。なお、「セリア以外の希土類元素酸化物及び／又はアルカリ土類金属酸化物」の量は、粉末がセリア以外の希土類元素酸化物及びアルカリ土類金属酸化物の一方のみを含む場合はその量であり、両方を含む場合は、その合計量である。
【００２５】
貴金属分散度を向上させる観点から、Ｘ線光電子分光法で測定される前記表層部のセリウム以外の希土類元素及び／又はアルカリ土類金属元素のモル分率Ｍ５は１．０ｍｏｌ％以上であることが好ましく、５．０ｍｏｌ％以上であることがより好ましく、１０．０ｍｏｌ％以上であることが特に好ましい。Ｍ５は５０．０ｍｏｌ％以下、特に４０．０ｍｏｌ％以下、とりわけ２０．０ｍｏｌ％以下とすることが、粉末中のセリア及びジルコニアの量を一定量確保して、本発明の効果をより確実に得る観点から好ましい。また、粉末全体におけるセリウム以外の希土類元素及び／又はアルカリ土類金属元素のモル分率Ｍ６に対するＸ線光電子分光法で測定される前記表層部のセリウム以外の希土類元素及び／又はアルカリ土類金属元素のモル分率Ｍ５の比率（Ｍ５／Ｍ６）は０．５以上１０．０以下であることが好ましく、１．０以上５．０以下であることがより好ましい。なお、「セリウム以外の希土類元素及び／又はアルカリ土類金属元素のモル分率」は、セリウム以外の希土類元素及びアルカリ土類金属元素の一方のみを含む場合はそのモル分率であり、両方を含む場合は両者のモル分率の合計である。
【００２６】
また、貴金属分散度を向上させる観点から、Ｘ線光電子分光法で測定される前記表層部のセリウムのモル分率Ｍ２に対する、Ｘ線光電子分光法で測定される前記表層部のセリウム以外の希土類元素及び／又はアルカリ土類金属元素のモル分率Ｍ５の比率（Ｍ５／Ｍ２）は、０．１以上８．０以下であることが好ましく、０．３以上３．０以下であることがより好ましい。
【００２７】
本発明の触媒用粉末は、通常、セリア及びジルコニアを含むコア粒子と、該コア粒子表面に担持された被担持金属酸化物とを有することが好ましい。これにより、本発明の触媒用粉末は表層部を、上述したＭ２／Ｍ１を満たすように容易に形成することができる。被担持金属酸化物は、セリア及び／又はジルコニアを含んでも含まなくてもよい。例えば被担持金属酸化物の量が十分に小さい場合には、被担持金属酸化物がセリア及び／又はジルコニアを含まなくても、コア粒子のセリア及びジルコニアが含まれることにより、表層部にセリア及びジルコニアを含ませることができ、上述したＭ２／Ｍ１を満たすことができる。しかしながら高い有効Ｃｅ率を得る点から、被担持金属酸化物はセリア及びジルコニアを含有することが好ましい。触媒用粉末において、セリア及びジルコニアを含むコア粒子上にセリア及びジルコニアを含む被担持金属酸化物が担持されているか否かは、ＳＴＥＭ−ＥＤＸを用いて観察できる。例えば粒子断面のＥＤＸライン分析により、端部のセリアのピークが小さく、内部のセリアのピークが強いというように、粒子表面側と中心側との間のある部位においてジルコニア及びセリアのピークに変動が観察される場合に、セリア及びジルコニアを含むコア粒子上にセリア及びジルコニアが担持されているといえる。本発明のコア部は、コア粒子の少なくとも一部を構成する。コア部は、コア粒子のみからなるものであっても、被担持金属酸化物を一部含むものであっても良い。また、本発明の表層部は、被担持金属酸化物の少なくとも一部を構成する。被担持金属酸化物は、被担持金属酸化物のみからなるものであっても、コア粒子を一部含むものであっても良い。セリア及びジルコニア以外の被担持金属酸化物としては、Ｃｅ以外の希土類元素酸化物及び／又はアルカリ土類金属酸化物が挙げられる。いうまでもなく、ここでいうＣｅ以外の希土類元素及びアルカリ土類金属としては上述したものが挙げられる。
【００２８】
本発明の触媒用粉末は、平均粒子径（Ｄ50）が、１００μｍ以下であることが、触媒調製の観点から好ましい。また触媒用粉末の平均粒子径（Ｄ50）は１μｍ以上であることが触媒調製の観点から好ましい。これらの観点から、触媒用粉末の平均粒子径（Ｄ50）は１μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましく、２μｍ以上５０μｍ以下であることがより好ましい。触媒用粉末の平均粒子径（Ｄ50）はレーザー回折・散乱式粒度分布測定法による積算体積５０％粒径であり、例えばレーザー回折粒子径分布測定装置用自動試料供給機（日機装株式会社製「Ｍｉｃｒｏｔｏｒａｃ  ＳＤＣ」）を用い、サンプル（粉体）を水溶性溶媒に投入し、４０％の流速中、４０Ｗの超音波を３６０秒間照射した後、日機装株式会社又はマイクロトラック社製のマイクロトラックＭＴ３３００IIを用いて測定される。測定条件は、粒子屈折率１．５、粒子形状真球形、溶媒屈折率１．３、セットゼロ３０秒、測定時間３０秒、２回測定の平均値として求める。
【００２９】
本発明の触媒用粉末は、これに貴金属を担持させて排気ガス浄化用触媒とすることが好ましい。貴金属としては、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）等が挙げられる。貴金属を担持する量としては触媒用粉末と貴金属の合計量１００質量部当たり、貴金属が０．１質量部以上２０質量部以下であることが好ましく、１質量部以上１０質量部以下であることがより好ましい。貴金属の担持量は、粉末全体のセリウムのモル分率Ｍ１と同様、触媒をアルカリ溶融等で溶解して得られる溶液中の貴金属の量をＩＣＰ−ＡＥＳで測定することにより測定できる。
【００３０】
本発明の触媒用粉末は例えば下記の製造方法により好適に製造される。
本製造方法とは、水溶性のセリウム塩及び水溶性のジルコニウム塩を含有する水溶液をｐＨ９．０以上１４．０以下に調整して第１の沈殿物を得、該第１の沈殿物を焼成してコア材を形成する第１工程と、
前記第１工程で生成したコア材と、前記の被担持金属の水溶性塩と、分散液をｐＨ９．０以上１４．０以下に調整して第２の沈殿物を得、該第２の沈殿物を焼成する第２工程と、を有する。前記の被担持金属の水溶性塩としては、水溶性セリウム塩及び水溶性ジルコニウム塩が好ましく挙げられる。
【００３１】
水溶性のセリウム塩としては、焼成によりＣｅＯ２に変化し得る化合物、例えば、硝酸セリウム等が挙げられる。水溶性のジルコニウム塩としては、焼成によりＺｒＯ２に変化し得る化合物、例えば、オキシ硝酸ジルコニウム等が挙げられる。第１の沈殿物及び第２の沈殿物を得るためのｐＨ調整には、炭酸アンモニウム、水酸化ナトリウム等のアルカリ剤を用いることが好ましい。第１の沈殿物の焼成は、大気雰囲気下において行うことができ、例えば６００℃以上１０００℃以下で１時間以上２４時間以下で行うことができる。また第２の沈殿物の焼成は、大気雰囲気下において行うことができ、例えば６００℃以上１０００℃以下で１時間以上２４時間以下で行うことができる。
【００３２】
またセリア以外の希土類元素の酸化物及び／又はアルカリ土類金属の酸化物を触媒用粉末に含有させる場合は、第１工程における水溶性Ｃｅ塩及びＺｒ塩の水溶液及び／又は第２工程における被担持金属の水溶性塩及びコア材を含有する分散液中に、Ｃｅ以外の希土類元素の水溶性塩及び／又はアルカリ土類金属を含有させる。被担持金属としてセリウム及びジルコニウムを用いない場合には当該分散液中の水溶性塩として専らＣｅ以外の希土類元素及び／又はアルカリ土類金属を用いてもよい。
【００３３】
第１工程におけるセリウム塩の量は、水溶液に含まれる金属塩を全て酸化物としたときの該酸化物の質量を基準として、セリア換算で５質量％以上５８質量％以下となるように調製することが好ましく、２０質量％以上５８質量％以下がより好ましい。第１工程におけるジルコニウム塩の量は、水溶液に含まれる金属塩を全て酸化物としたときの該酸化物の質量を基準として、ジルコニア換算で、４２質量％以上９５質量％以下となるように調製することが好ましく、４２質量％以上８０質量％以下がより好ましい。セリウム以外の希土類元素塩は、水溶液に含まれる金属塩を全て酸化物とした時の該酸化物の質量を基準として、希土類元素酸化物換算で１質量％以上２０質量％以下となるように調製することが好ましい。
【００３４】
第２工程において用いるセリウム塩の量は、ｐＨ調整前の分散液における水溶性金属塩を全て酸化物とした時に生成するコア材以外の金属酸化物の質量を基準として、セリア換算で５質量％以上５８質量％以下となり、且つ、第１工程における前記のセリウム塩の割合よりも少ない量となるように調製することが好ましい。第２工程におけるジルコニウム塩の量は、ｐＨ調整前の分散液に含まれる水溶性金属塩を全て酸化物とした時に生成するコア材以外の金属酸化物質量を基準として、ジルコニア換算で４２質量％以上９５質量％以下となるように調製することが好ましい。セリウム以外の希土類元素塩は、ｐＨ調整前の分散液における水溶性金属塩を全て酸化物コア材以外の金属酸化物の質量を基準として、希土類元素酸化物換算で１質量％以上３５質量％以下となるように調製することが好ましい。
【００３５】
第２工程における分散液中の水溶性金属塩とコア材との量比は、分散液中における全ての水溶性金属の酸化物換算質量（非担持金属酸化物の質量に相当し、更に表層部の質量に相当してもよい）とコア材の質量との比が前者：後者で１：０．２以上９９以下であることが好ましく、１：１以上２０以下であることがより好ましい。
【００３６】
触媒用粉末に貴金属を担持させるには、貴金属含有溶液に触媒用粉末を浸漬させた後、乾燥させ、焼成させることが好ましい。貴金属溶液の調製に用いる貴金属塩としては、例えば、硝酸塩、アンミン錯体塩、塩化物等を用いる。溶媒としては、水等を用いることができる。焼成は大気雰囲気下で４００℃以上８００℃以下、１時間以上２４時間以下行うことが好ましい。なお、焼成温度は第１工程と第２工程とで上述した範囲内で異なる温度としても良い。例えば、第１工程の焼成温度を第２工程の焼成温度よりも高くすることができ、そのような設計とすることで、排気ガス浄化用触媒の浄化初期の貴金属分散性を良好なものとすることができる。
【００３７】
以上のようにして触媒用粉末に貴金属を担持させた排気ガス浄化用触媒は、８００℃以上１１００℃以下程度の高温に曝されても、安定したＯＳＣを示し、特に、低中温、例えば自動車のエンジンが始動する際のエンジンの温度である４００℃や、その後エンジンを加速させて高速定常運転を開始したときの温度である６００℃における高い有効Ｃｅ率を示す。このような排気ガス浄化用触媒は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなど化石燃料を動力源とする内燃機関の排気ガス浄化用触媒として、安定した高い排気ガス浄化性能を発揮することができる。
【実施例】
【００３８】
以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。しかしながら本発明の範囲は、かかる実施例に制限されない。特に断らない限り、「％」は「質量％」を意味する。
【００３９】
〔比較例１（第１工程）〕
原料として、硝酸セリウム、オキシ硝酸ジルコニウム、硝酸ランタン、及び硝酸ネオジムを、それらを酸化物としたときに下記表１に示す組成となる比率で含有する水溶液に、沈殿剤として水酸化ナトリウムをｐＨが１２．０となる量で添加した。得られた沈殿物を濾過、洗浄し、十分に乾燥させ、その後、大気雰囲気下８００℃で３時間焼成することにより比較例１の触媒用粉末を得た。
【００４０】
〔実施例１（第２工程）〕
原料として、硝酸セリウム、オキシ硝酸ジルコニウム、硝酸ランタン、及び硝酸ネオジムを、それらを酸化物としたときに表１（被担持金属酸化物の項）に示す組成となる比率で含有する水溶液に、比較例１で得られた粉末を添加し、分散液を調製した。この分散液に、沈殿剤として水酸化ナトリウムをｐＨが１２．０となる量で添加した。得られた沈殿物を濾過、洗浄し、十分に乾燥させ、その後大気雰囲気下、８００℃で３時間焼成することにより実施例１の触媒用粉末を得た。なお比較例１の粉末と第２工程の水溶液に含有させる硝酸塩との量比は、該粉末と該硝酸塩に由来する酸化物との質量比が表１の「コア粒子：被担持金属酸化物」の欄に記載の比率になるように調整した。
【００４１】
〔実施例２−９、比較例２〕
実施例１において、原料における硝酸セリウム、オキシ硝酸ジルコニウム、硝酸ランタン、及び硝酸ネオジムの量を表１（被担持金属酸化物の項）に示す組成となる比率とし、比較例１の粉末と第２工程の水溶液に含有させる硝酸塩との量比は、該粉末と該硝酸塩に由来する酸化物との質量比が表１の「コア粒子：被担持金属酸化物」の欄に記載の比率になるように調整した。それらの点以外は実施例１と同様とした。ただし、実施例７では第２工程における分散液において、前記各硝酸塩に加えて硝酸プラセオジムを、実施例８では第２工程における分散液において、前記各硝酸塩に加えて硝酸イットリウムを、それぞれ酸化物としたときに表１に示す組成となる比率で用いた。
【００４２】
〔比較例３〕
第２工程における分散液を、金属水溶性塩としてオキシ硝酸ジルコニウムのみを含有する水溶液に、比較例１で得られた粉末を添加することにより調製した。比較例１の粉末と第２工程の水溶液に含有させる硝酸塩との量比は、該粉末と該硝酸塩に由来する酸化物との質量比が表１の「コア粒子：被担持金属酸化物」の欄に記載の比率になるように調整した。その後、この分散液に、沈殿剤として水酸化ナトリウムをｐＨが１２．０となる量で添加した。これらの点以外は、実施例１と同様とした。
【００４３】
〔比較例４〕
第２工程における分散液を、金属水溶性塩として硝酸プラセオジムのみを含有する水溶液に、比較例１で得られた粉末を添加して調製した。比較例１の粉末と第２工程の水溶液に含有させる硝酸塩との量比は、該粉末と該硝酸塩に由来する酸化物との質量比が表１の「コア粒子：被担持金属酸化物」の欄に記載の比率になるように調整した。その後、この分散液に、沈殿剤として水酸化ナトリウムをｐＨが１２．０となる量で添加した。これらの点以外は、実施例１と同様とした。
【００４４】
〔比較例５（第１工程）〕
原料として、硝酸セリウム、オキシ硝酸ジルコニウムを、それらを酸化物としたときに表１に示す組成となる比率で含有する水溶液を調製した。この水溶液に、沈殿剤として水酸化ナトリウムをｐＨが１２．０となる量で添加した。得られた沈殿物を濾過、洗浄し、十分に乾燥させ、その後、８００℃で３時間焼成することにより触媒用粉末を得た。
【００４５】
〔実施例１０（第２工程）〕
原料として、硝酸セリウム、オキシ硝酸ジルコニウムを、それらを酸化物としたときに表１（被担持金属酸化物の項）に示す組成となる比率で含有する水溶液に、比較例５の触媒用粉末を添加して分散液を調製した。比較例５の粉末と第２工程の水溶液に含有させる硝酸塩との量比は、該粉末と該硝酸塩に由来する酸化物との質量比が表１の「コア粒子：被担持金属酸化物」の欄に記載の比率になるように調整した。その後、この分散液に、沈殿剤として水酸化ナトリウムをｐＨが１２．０となる量で添加した。得られた沈殿物を濾過、洗浄し、十分に乾燥させ、その後、８００℃で３時間焼成することにより実施例１０の触媒用粉末を得た。
【００４６】
〔比較例６〕
第２工程における分散液を、金属水溶性塩として硝酸セリウムのみを含有する水溶液に、比較例１で得られた粉末を添加することにより調製した。比較例１の粉末と第２工程の水溶液に含有させる硝酸塩との量比は、該粉末と該硝酸塩に由来する酸化物との質量比が表１の「コア粒子：被担持金属酸化物」の欄に記載の比率になるように調整した。その後、この分散液に、沈殿剤として水酸化ナトリウムをｐＨが１２．０となる量で添加した。これらの点以外は、実施例１と同様とした。
【００４７】
〔実施例１１−１４〕
実施例１において、原料における硝酸セリウム、オキシ硝酸ジルコニウム、硝酸ランタン、及び硝酸ネオジム、並びに硝酸プラセオジム、硝酸イットリウム及び／又は硝酸ストロンチウムの量を表１（被担持金属酸化物の項）に示す組成となる比率とし、また比較例１の粉末と第２工程の水溶液に含有させる硝酸塩との量比を、該粉末と該硝酸塩に由来する酸化物との質量比が表１の「コア粒子：被担持金属酸化物」の欄に記載の比率になるように調整した。それらの点以外は実施例１と同様とした。
【００４８】
〔実施例１５〕
実施例１において、原料における硝酸イットリウム及び硝酸ストロンチウムの量を表１（被担持金属酸化物の項）に示す組成となる比率とし、また比較例１の粉末と第２工程の水溶液に含有させる硝酸塩との量比を、該粉末と該硝酸塩に由来する酸化物との質量比が表１の「コア粒子：被担持金属酸化物」の欄に記載の比率になるように調整した。それらの点以外は実施例１と同様とした。
【００４９】
【表１】
2020124709.tif 000002
【００５０】
実施例１〜１５及び比較例１〜６の触媒用粉末それぞれについて、下記条件のＸ線光電子分光法により表層部のセリウムのモル分率Ｍ２及び表層部のジルコニウムのモル分率Ｍ４（ｍｏｌ％）を求めた。また、原料の量より、粉末全体のセリウムのモル分率Ｍ１（ｍｏｌ％）及び粉末全体のジルコニウムのモル分率Ｍ３（ｍｏｌ％）を求めた。また表層部におけるセリア以外の希土類元素及び／又はアルカリ土類金属元素のモル分率Ｍ５及び粉末全体におけるセリア以外の希土類元素及び／又はアルカリ土類金属元素のモル分率Ｍ６を求め、Ｍ５／Ｍ２及びＭ５／Ｍ６を算出した。得られたＭ１〜Ｍ４、Ｍ２／Ｍ１（Ｍ２／１）、Ｍ３/Ｍ１（Ｍ３／１）、Ｍ４/Ｍ２（Ｍ４／２）及びＭ４/２／Ｍ３/１、Ｍ４/Ｍ３（Ｍ４／３）、Ｍ５、Ｍ６、Ｍ５／Ｍ２（Ｍ５／２）、Ｍ５／Ｍ６（Ｍ５／６）を、以下の表２に示す。
なお、ＸＰＳ分析により、各実施例で得られた粉末の表層部に存在する酸化物種は、表１に記載の非担持金属酸化物の項に記載のものと同様であることを確認した。またＳＴＥＭ−ＥＤＸによる分析により、各実施例で得られた粉末のコア部に存在する酸化物種は、表１に記載のコア粒子の項に記載のものと同様であることを確認した。
【００５１】
＜Ｘ線光電子分光法の測定条件＞
Ｘ線光電子分光分析装置として、アルバック・ファイ社製、ＸＰＳ  Ｑｕａｎｔａｍ２０００を使用した。Ｘ線源としてＡｌＫα１線（１４８６．８eV）を使用し、Ｘ線照射面積：２００μｍφ、パスエネルギー：２３．５eV、試料と検出器のなす角度１５°、測定深さ：数ｎｍ、測定間隔：０．１eV、管電圧：１５ｋＶ、管電流：２．６７ｍＡ、スキャン回数は各元素１０回の条件で行った。なお、データ解析にはアルバック・ファイ社製「マルチパックＶｅｒ６．１Ａ」を用いた。
【００５２】
【表２】
2020124709.tif 000003
【００５３】
実施例１〜１５及び比較例１〜６の触媒用粉末それぞれを、硝酸パラジウム（ＩＩ）水溶液に、パラジウムメタルの質量に換算したパラジウム担持濃度が、触媒用粉末とパラジウムメタルの総量を基準にして１．０質量％となる量比で含浸させた。その後、蒸発乾固後、大気雰囲気中で６００℃で３時間の焼成を行い、Ｐｄ担持ＣｅＯ２−ＺｒＯ２系複合酸化物である触媒粉末を得た。
【００５４】
得られた触媒粉末は９５０℃、大気中で２４時間の耐久焼成を行った後、下記の評価を実施した。
【００５５】
[評価]
＜有効Ｃｅ率（％）の測定＞
各触媒粉末のＯＳＣの測定をＣＯパルス法で行った。有効Ｃｅ率は触媒粉末に含まれるＣｅが全てＣｅ４＋からＣｅ３＋に変化する場合のＯＳＣ量（μｍｏｌ−Ｏ２）を１００％としたときの触媒粉末のＯＳＣの割合として示した。結果を表３に示す。
【００５６】
＜Ｐｄ分散度（％）の測定＞
Ｐｄ分散度はＣＯパルス法で測定したＣＯ吸着量から、触媒に含まれるＰｄがＣＯと１：１の割合で吸着するとみなし、算出した。結果を表４に示す。
【００５７】
【表３】
2020124709.tif 000004
【００５８】
均一組成でＭ２／１が１近い比較例１、表層部のセリアが多くＭ２／１が本発明よりも大きい比較例２及び６、コア材に担持させる表面側の酸化物がセリアを非含有でありＭ２／１が本発明よりも小さい比較例３及び４に対して、各実施例の触媒は、４００−６００℃の有効Ｃｅ率が高い。またＣｅ以外の希土類元素を含有しない場合においても、均一組成の比較例５に対し、実施例１０は有効Ｃｅ率が高くなっている。これらの結果より、各実施例の触媒では、高温耐久後において、低中温で、比較例１〜６の触媒よりも効率的に酸素吸放出が起こっていることがわかる。また実施例１〜１０の通り、Ｃｅ以外の希土類元素を含有している実施例１〜９、１１〜１５の触媒は、該希土類元素を含有していない実施例１０の触媒に対して、有効Ｃｅ率が向上していた。
以上より、本発明の触媒用粉末及びこれに貴金属を担持した触媒が、内燃機関用の排気ガス浄化、特に低中温で発生する排気ガス浄化に優れた効果を発揮することが判る。
【００５９】
【表４】
2020124709.tif 000005
【００６０】
均一組成の比較例１、表層部のセリア量が本発明よりも多い比較例２、コア材に担持させる表面側の酸化物がセリアを非含有である比較例３及び４に対して、各種実施例１〜９、１１〜１５の触媒は、同等以上の貴金属分散度を有している。また比較例５に対して実施例１０の触媒は、同等以上の貴金属分散度を有している。特に、Ｃｅ以外の希土類元素を多く含有する実施例５〜８、１１〜１５のサンプルは貴金属分散度が高い。Ｃｅ以外の希土類の添加が担体の耐熱性や貴金属−担体相互作用により、貴金属のシンタリング抑制に効いていることが示唆された。
以上より、本発明の触媒用粉末及び触媒が、貴金属の触媒活性を高く維持する点でも、内燃機関用の排気ガス浄化、特に低中温で発生する排気ガス浄化用として優れたものであることが判る。
【手続補正書】
【提出日】令和2年5月7日(2020.5.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セリア及びジルコニアを含むコア部と、該コア部上に位置し、セリア及びジルコニアを含む表層部とを有する触媒用粉末であって、
前記粉末全体のセリウムのモル分率Ｍ1（ｍｏｌ％）に対し、Ｘ線光電子分光法で測定される前記表層部のセリウムのモル分率Ｍ2（ｍｏｌ％）の比（Ｍ2／Ｍ1）が０．３０以上０．９５以下であり、コア部はセリア以外の希土類元素の酸化物及び／又はアルカリ土類金属の酸化物を含有し、表層部は、コア部とは異なる種類のセリア以外の希土類元素の酸化物及び／又はアルカリ土類金属の酸化物を含有する、排気ガス浄化触媒用粉末。
【請求項２】
請求項１に記載の触媒用粉末と、該触媒用粉末に担持された貴金属とを含有する、排気ガス浄化用触媒。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
本発明の触媒用粉末は、通常、セリア及びジルコニアを含むコア粒子と、該コア粒子表面に担持された被担持金属酸化物とを有することが好ましい。これにより、本発明の触媒用粉末は表層部を、上述したＭ2／Ｍ1を満たすように容易に形成することができる。被担持金属酸化物は、セリア及び／又はジルコニアを含んでも含まなくてもよい。例えば被担持金属酸化物の量が十分に小さい場合には、被担持金属酸化物がセリア及び／又はジルコニアを含まなくても、コア粒子のセリア及びジルコニアが含まれることにより、表層部にセリア及びジルコニアを含ませることができ、上述したＭ2／Ｍ1を満たすことができる。しかしながら高い有効Ｃｅ率を得る点から、被担持金属酸化物はセリア及びジルコニアを含有することが好ましい。触媒用粉末において、セリア及びジルコニアを含むコア粒子上にセリア及びジルコニアを含む被担持金属酸化物が担持されているか否かは、ＳＴＥＭ−ＥＤＸを用いて観察できる。例えば粒子断面のＥＤＸライン分析により、端部のセリアのピークが小さく、内部のセリアのピークが強いというように、粒子表面側と中心側との間のある部位においてジルコニア及びセリアのピークに変動が観察される場合に、セリア及びジルコニアを含むコア粒子上にセリア及びジルコニアが担持されているといえる。本発明のコア部は、コア粒子の少なくとも一部を構成する。コア部は、コア粒子のみからなるものであっても、被担持金属酸化物を一部含むものであっても良い。また、本発明の表層部は、被担持金属酸化物の少なくとも一部を構成する。表層部は、被担持金属酸化物のみからなるものであっても、コア粒子を一部含むものであっても良い。セリア及びジルコニア以外の被担持金属酸化物としては、Ｃｅ以外の希土類元素酸化物及び／又はアルカリ土類金属酸化物が挙げられる。いうまでもなく、ここでいうＣｅ以外の希土類元素及びアルカリ土類金属としては上述したものが挙げられる。