(57)【要約】【課題】排ガス等の浄化に用いられる触媒の反応を効率よく活性化することのできる触媒構造体及び触媒構造体の製造方法を提供する。【解決手段】加熱により反応分子が吸収する特定領域の波長を放射する凹部２を複数有する基材３と、該基材３の凹部２上に、凹部２の空間部２ａを維持した状態で設けられた触媒層４とを備えた触媒構造体１である。  また、加熱により反応分子が吸収する特定領域の波長を放射する凹部２を複数有する基材３に、焼失材１０を塗布して凹部２に焼失材１０を充填する工程（ａ）と、凹部２に焼失材１０を充填した基材３上に、触媒を塗布して触媒層４を形成する工程（ｂ）と、加熱により凹部２に充填した焼失材１０を焼失させる工程（ｃ）を含む触媒構造体の製造方法である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱により反応分子が吸収する特定領域の波長を放射する凹部を複数有する基材と、該基材の凹部上に設けられた触媒層とを備えたことを特徴とする触媒構造体。
【請求項２】
上記凹部の空間部を維持した状態で、上記基材の凹部上に触媒層を設けたことを特徴とする請求項１に記載の触媒構造体。
【請求項３】
上記凹部の空間部の幅が、反応分子が吸収する赤外領域の１〜１０μｍの波長を放射する長さであることを特徴とする請求項１又は２に記載の触媒構造体。
【請求項４】
上記凹部の空間部の深さが、上記凹部の空間部の幅の１／２以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の触媒構造体。
【請求項５】
加熱により反応分子が吸収する特定領域の波長を放射する凹部を複数有する基材に、焼失材を塗布して上記凹部に焼失材を充填する工程と、
上記凹部に焼失材を充填した基材上に、触媒を塗布して触媒層を形成する工程と、
加熱により上記凹部に充填した焼失材を焼失させる工程を含むことを特徴とする触媒構造体の製造方法。
【請求項６】
加熱により反応分子が吸収する特定領域の波長を放射する凹部を複数有する基材に、触媒の粒径よりも小さい網目を有する網状物を載置する工程と、
上記網状物上に触媒を塗布して触媒層を形成する工程を含むことを特徴とする触媒構造体の製造方法。
【請求項７】
加熱により反応分子が吸収する特定領域の波長を放射し、深さ方向に余分代を設けて形成された凹部を複数有する基材に、焼失材を塗布して凹部に焼失材を充填する工程と、焼失材が塗布された基材の表面を研磨して、凹部の深さが所定の深さとなるように凹部の頂部を平らにする工程と、研磨した基材上に触媒を塗布して触媒層を形成する工程とを含むことを特徴とする触媒構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加熱により特定領域の波長を放射する複数の凹部を有する基材上に触媒層を設けた触媒構造体及び触媒構造体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関用の排ガス浄化触媒は、高温となっている排ガスの熱や、ヒータ等の加熱手段
による熱を利用して活性化されている。
しかし、排ガスの熱を利用して触媒を活性化すると、機関の始動時等の排ガスが冷えて
いる場合には、排ガスの温度が上昇するまで、ある程度の時間が必要となり、触媒の活性
化までに時間がかかるという問題がある。
【０００３】
触媒を加熱するのみならず、触媒に吸着された分子の反応を活性化するために、触媒の
表面にγ−アルミナと赤外線放射物質と触媒成分とを有するコート層を設けた排ガス浄化
装置が提案されている（特許文献１）。
また、排ガスの熱によって赤外線を放出することのできる赤外線発生部を設け、該赤外線発生部の下流側に触媒反応部を設けた内燃機関の排ガス浄化装置も提案されている（特許文献２）。
また、電気加熱式の担体の上に、赤外線放出物質を分散担持させた触媒層を設けた排ガス浄化触媒も提案されている（特許文献３）。
【特許文献１】特開平４−８７６２５号公報
【特許文献２】特開平８−９３４５５号公報
【特許文献３】特開２００４−３５１２９２号公報
【０００４】
更に、周期的な微細凹凸パターンを形成する多数のマイクロキャビティが形成された波長選択性熱放射材料を準備し、この波長選択性熱放射材料から熱ふく射電磁波を選択的に放射させて、ガスの反応を促進する方法も提案されている（特許文献４）。この方法は、波長選択性熱放射材料から放射される特定の波長領域の電磁波によって、分子の反応を促進することができるので、水素の生成や降雪地域における除雪等に利用されている。
【特許文献４】特開２００４−２３８２３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記特許文献１〜３の排ガス浄化装置や排ガス浄化触媒は、赤外線放射物質から放射される波長領域が広すぎて、反応分子が放射された電磁波のうち特定領域の電磁波のみを選択的に利用するため、効率が良くないという問題があった。
【０００６】
また、上記特許文献４の方法は、分子が気相において反応するため、分子の反応が活性化される電磁波を放射するためには、より多くのエネルギーが必要になるという問題がある。
【０００７】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、排ガス等の浄化に用いられる触媒の反応を効率よく活性化することのできる触媒構造体及び触媒構造体の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記目的を達成するべく鋭意検討を重ねた結果、加熱により反応分子が吸収する特定領域の波長を放射する凹部を複数有する基材上に、触媒層を設けたことによって、上記目的を達成し得ることを見出した。
【０００９】
即ち、本発明は、加熱により反応分子が吸収する特定領域の波長を放射する凹部を複数有する基材と、該基材の凹部上に設けられた触媒層とを備えた触媒構造体である。
【００１０】
また、本発明は、加熱により反応分子が吸収する特定領域の波長を放射する凹部を複数有する基材に、焼失材を塗布して上記凹部に焼失材を充填する工程と、上記凹部に焼失材を充填した基材上に、触媒を塗布して触媒層を形成する工程と、加熱により上記凹部に充填した焼失材を焼失させる工程を含む触媒構造体の製造方法である。
【００１１】
また、本発明は、加熱により反応分子が吸収する特定領域の波長を放射する凹部を複数有する基材に、触媒の粒径よりも小さい網目を有する網状物を載置する工程と、上記網状物上に触媒を塗布して触媒層を形成する工程を含む触媒構造体の製造方法である。
【００１２】
また、本発明は、加熱により反応分子が吸収する特定領域の波長を放射し、深さ方向に余分代を設けて形成された凹部を複数有する基材に、焼失材を塗布して凹部に焼失材を充填する工程と、焼失材が塗布された基材の表面を研磨して、凹部の深さが所定の深さとなるように凹部の頂部を平らにする工程と、研磨した基材上に触媒を塗布して触媒層を形成する工程とを含む触媒構造体の製造方法である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、加熱により基材から特定領域の波長（電磁波）が放射され、このエネルギーを触媒層に吸着された反応分子が吸収することによって、分子間の結合が切断等されて、効率よく分子反応が活性化される。
【００１４】
また、本発明の製造方法によれば、加熱により特定領域の波長を放射する凹部の空間部を維持した状態で触媒層を形成することができ、基材から放射される特定領域の波長によって、触媒層に吸着された分子反応を効率よく活性化することができる。
【００１５】
また、本発明の製造方法によれば、研磨により表面が平滑となっている基材上に触媒層を形成することができるので、基材と触媒層との密着性を高め、触媒層の剥離を抑制した触媒構造体を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づき説明する。なお、本明細書において、収率などの「％」は、特記しない限り、質量百分率を表すものとする。
【００１７】
図１は、本発明の触媒構造体の好ましい実施形態の一例を模式的に示す説明図である。
図１に示すように、本発明の触媒構造体１は、加熱により反応分子が吸収する特定領域の波長を放射する凹部２を複数有する基材３と、この基材３の凹部上に設けられた触媒層（触媒粒子）４とを備えている。
【００１８】
触媒層４は、凹部２の空間部２ａを維持した状態で、基材３の凹部２上に設けられていることが好ましい。
基材３が加熱されると、空間部２ａが維持されている凹部２から、反応分子が吸収する特定領域の波長（電磁波）が放射される。
基材３の触媒層４に吸着された反応分子５，６は、これらの分子が吸収し易い、基材３から放射された特定領域の波長（例えば赤外領域の電磁波Ｅ）を吸収して活性化され、反応分子５，反応分子６の分子間結合が切断され、反応が促進される。このように分子間結合が切断され、分子５，６の反応が促進されると、新たな生成分子７が生成される。
【００１９】
凹部２の空間部２ａの幅Ｗは、触媒層４に吸着された反応分子が吸収する赤外領域の１〜１０μｍの波長を放射する長さであることが好ましい。
反応分子が吸収する特定領域の波長とは、反応分子が熱運動をしている伸縮振動のエネルギーに相当するスペクトルを有する波長をいう。
【００２０】
例えば排ガス中には、炭素−水素（ＣＨ）、窒素−酸素（ＮＯ）、炭素−酸素（ＣＯ）の結合を有する分子が含まれている。これらの結合を有する分子は、特定領域の波長（電磁波）を吸収する。例えばＣＨは３〜４μｍの波長を吸収し、ＮＯは７μｍ付近の波長を吸収し、ＣＯは５μｍの波長を吸収する。
そのため、基材３の凹部２の空間部２ａの幅（長さ）Ｗは、基材３を加熱することにより、排ガス中に含まれるＣＨ，ＮＯ，ＣＯの結合が吸収する特定領域の波長（電磁波）が放射される幅（長さ）であることが好ましい。
【００２１】
例えばＣＨの結合を有する分子を切断するには、凹部２の空間部２ａの幅が、特定の赤外領域の波長（３〜４μｍ）との差が±０．２〜０．５μｍ程度の長さであることが好ましい。
具体的には、ＣＨ結合を切断する場合は、凹部２の空間部２ａの幅が２．５〜４．５μｍ程度の長さ、ＮＯ結合を切断する場合は、凹部２の空間部２ａの幅が６．６〜７．７μｍ程度の長さ、凹部２の空間部２ａの幅が４．８〜５．７μｍ程度の長さであることが好ましい。
本明細書において、凹部２の幅Ｗとは、凹部２の空間部を構成する壁面と壁面との間の長さをいう。
【００２２】
凹部２の形状としては、凹部２の空間部２ａの幅が特定領域の波長を放射する長さを有するものであれば、特に限定されない。
図２〜４は、特定領域の波長を放射する幅の空間部２ａを有する凹部２を形成した基材３を模式的に示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
凹部２の空間部２ａの形状としては、例えば図２（ａ）及び（ｂ）に示すように特定領域の波長を放射する幅Ｗの溝状の空間部２ａを周期的に形成した形状が挙げられる。
図３（ａ）及び（ｂ）に示すように特定領域の波長を放射する幅Ｗの矩形状の空間部２０ａを有する凹部２０を周期的に形成した形状が挙げられる。
図４（ａ）及び（ｂ）に示すように特定領域の波長を放射する幅（直径）Ｗを有する円形状の空間部２１ａを有する凹部２１を周期的に形成した形状が挙げられる。
【００２３】
基材３に形成される凹部２は、周期的に形成されている必要はないが、触媒層４に吸着された反応分子が、加熱により基材３の凹部２から放射される特定領域の波長を吸収し易いように、複数の凹部２が形成されていることが好ましい。
【００２４】
凹部２の深さＨは、特に限定されるものではないが、凹部２の空間部２ａの幅Ｗの１／２以上であることが好ましい。例えば凹部２の空間部２ａの幅が７．０μｍである場合は、凹部２の深さＨが３．５μｍ以上であることが好ましい。なお、本明細書において、凹部２の深さＨとは、凹部２の頂部から底部までの長さをいう。
【００２５】
なお、凹部２の空間部２ａの底部の形状も、特に限定されない。
図５は、凹部２の底部の種々の形状を模式的に示す断面図である。
図５に示すように、基材３の凹部２の底部は、例えば平面（ａ）であってもよく、矩形状の底部の隅部が湾曲（ｂ）や傾斜（ｃ）していてもよく、底部が全体的に傾斜（ｄ）していてもよく、底部が平面（ｅ）でなくてもよい。
【００２６】
基材３の材質としては、複数の凹部２を形成することが可能であり、形成した凹部２の形状を保持することができるものであれば、材質は特に限定されない。
基材３に用いる材料としては、例えばフェライト系ステンレス鋼等が挙げられる。
【００２７】
基材３に凹部２を形成する方法としては、例えばエッチング、転写、陽極酸化による方法が挙げられる。
エッチングによる方法を例に挙げると、（１）まず、金属製の基材にレジストを塗布して乾燥させ、（２）次に、エッチングパターンを露光して金属表面にエッチングパターンを転写させ、（３）現像処理によりエッチングパターンを形成した金属表面を露出させ、（４）その後、露出させた金属を腐食処理することにより、基材の二次元表面に、複数のパターン化された凹部を形成することができる。
【００２８】
触媒構造体１は、加熱により基材３の表面に形成された凹部２から特定領域の波長、例えば赤外領域の波長（電磁波）が放射される。
触媒構造体１を加熱する手段としては、ＥＨＣ（Electrically Heated Catalyst、電気加熱式触媒）、高周波ＩＨ（Induction Heating、誘導加熱）、内燃機関からの排ガス、マイクロ波の照射等の手段を用いることができる。
【００２９】
触媒層４に用いられる触媒は、触媒層４で反応させる分子の種類によって種々の触媒を含むものを用いることができる。
例えば排ガス中に含まれるＣＨ，ＮＯ，ＣＯ等を浄化するものである場合は、排ガス浄化触媒として一般的に使用されている三元触媒、ＮＯｘトラップ触媒、ＯＳＣ触媒等を用いることができる。
具体的には、白金、パラジウム、ロジウム等の貴金属、シリカ、アルミナ、ゼオライト、セリア、ジルコニア、アルカリ金属、バリウム、プラセオジム、ペロブスカイト型複合酸化物の酸化物等が挙げられる。
【００３０】
触媒層４を構成する触媒（粒子）４ａとしては、基材３の凹部２の空間部２ａを埋めないように、触媒の粒径が空間部２ａの幅（長さ）よりも大きいものを用いることが好ましい。
例えば３〜４μｍの波長を放射するためには、凹部２の空間部２ａの幅Ｗは２．５〜４．５μｍ程度である。この幅Ｗを有する凹部２の空間部２ａを埋めないように、触媒は、粒径が５μｍ以上のものを用いることが好ましい。
【００３１】
触媒層４を形成する方法としては、触媒を構成する酸化物及び貴金属を含むスラリー、又は、触媒を構成する酸化物に担持させた貴金属を含むスラリーを、基材３上に塗布して触媒層４を形成する方法が挙げられる。
なお、触媒層４の厚さは、特に限定されないが、反応分子を吸着し易い１０μｍ以下であることが好ましい。
また、触媒層は、反応分子と接触する割合の大きい表面に近いほど、断続的又は連続的に触媒の含有量を増大させたものであってもよい。表面に近いほど、触媒の含有量を増大させる方法としては、例えば表面に近いほど貴金属の含有量が大きくなるスラリーを複数層塗り重ねて、表面に近いほど貴金属量の含有量が大きくなる触媒層を形成する方法が挙げられる。
【００３２】
図６は、本発明の触媒構造体の好ましい実施形態の他の例を模式的に示す説明図である。なお、図６に示す触媒構造体について、図１に示す触媒構造体と同様の部材には、同一の符号を付した。
図６に示すように、本例の触媒構造体１は、基材３と触媒層４との間に断熱層８を設けている。
基材３と触媒層４との間に、断熱層８を設けることにより、基材３を加熱した熱が、触媒層４に伝熱されることなく、基材３を効率よく加熱して、基材３の凹部２から特定領域の波長（電磁波）を放射することができる。
【００３３】
断熱層８の材質は、特に限定されないが、断熱層８には、触媒層４を構成する触媒よりも熱伝導率の低い耐熱酸化物を含むことが好ましい。
触媒層４を構成する触媒よりも熱伝導率の低い耐熱酸化物としては、例えばアルミナ、ジルコニア、炭化ケイ素、窒化ケイ素等を用いることができる。
【００３４】
断熱層８は、断熱性を高めるために空隙部を設けたものであることが好ましい。
例えば活性炭等の焼失材、発泡剤、マイクロバルーン等を含めて断熱層８を構成することにより、断熱層８に空隙部を設けることができる。
断熱層８としては、基材３から触媒層４に放射される波長（電磁波）を遮ることなく、基材３から触媒層４への伝熱を抑制することが可能な厚さであれば特に限定されない。
【００３５】
次に、本発明の触媒構造体の製造方法について説明する。
図７は、本発明の触媒構造体の製造方法の好ましい実施形態の一例を示す工程図である。なお、図７において、図１に示す触媒構造体と同様の部材には、同一の符号を付した。
図７に示すように、本例の触媒構造体の製造方法は、（ａ）加熱により反応分子が吸収する特定領域の波長を放射する凹部２を複数有する基材３に、焼失材１０を塗布して、凹部２に消失材１０を充填する工程と、（ｂ）凹部２に焼失材１０を充填した基材３上に、触媒を塗布して触媒層４を形成する工程と、（ｃ）加熱により凹部２に充填した焼失材１０を焼失させる工程とを含む。
【００３６】
本例の製造方法によれば、触媒層４を形成した後、基材３の凹部２に充填された焼失材を焼失させるので、凹部２の空間部２ａを維持した状態で、触媒構造体１の触媒層４を形成することができる。
【００３７】
図８は、本発明の触媒構造体の製造方法の好ましい実施形態の他の例を示す工程図である。なお、図８において、図１及び図７に示す触媒構造体と同様の部材には、同一の符号を付した。
図８に示すように、本例の触媒構造体の製造方法は、（ａ）加熱により反応分子が吸収する特定領域の波長を放射する凹部２を複数有する基材３に、触媒（粒子）４ａの粒径よりも小さい網目を有する網状物１１を載置する工程と、（ｂ）網状物１１上に触媒（粒子）４ａを塗布して触媒層４を形成する工程を含む。
【００３８】
本例の製造方法によれば、基材３の凹部２上に網状物１１を載置した後、触媒層４を形成するので、基材３の凹部２の空間部２ａを維持した状態で、触媒構造体１の触媒層４を形成することができる。
【００３９】
網状物１１の材質は、特に限定されないが、耐熱性を有する金属製網状物であることが好ましい。また、網状物の網目は、触媒層を構成する触媒（粒子）４ａの粒径よりも小さいものであれば、特に限定されないが、一般的に触媒（粒子）の粒径は約２μｍであるので、この粒径よりも網目の小さい網状物を用いることが好ましい。
【００４０】
図９は、本発明の触媒構造体の製造方法の好ましい実施形態の他の例を示す工程図である。なお、図９において、図１及び図７に示す触媒構造体と同様の部材には、同一の符号を付した。
図９に示すように、本例の触媒構造体の製造方法は、（ａ）加熱により反応分子が吸収する特定領域の波長を放射し、深さ方向に余分代を設けて形成された凹部２を複数有する基材３に、焼失材１０を塗布して凹部２に焼失材１０を充填する工程と、（ｂ）焼失材１０が塗布された基材３の表面を研磨して、凹部の深さが所定の深さとなるように凹部２の頂部を平らにする工程と、（ｃ）研磨した基材３上に触媒を塗布して触媒層４を形成する工程とを含む。
【００４１】
本発明の触媒構造体の製造方法によれば、排ガス浄化用の触媒として、一般的な粒径（例えば平均粒径２μｍ以上）を有する触媒を用いた場合においても、基材３の凹部２の空間部２ａを埋めることなく、凹部２の空間部２ａを維持した状態で、触媒層４を形成することができる。
【００４２】
また、基材３の表面が研磨され、平滑化されていることにより、基材３（凹部２の頂部）と触媒層４との密着性が向上され、触媒層４の剥離を抑制することができる。
【実施例】
【００４３】
以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００４４】
（実施例）
［基材］
基材として、厚さ１ｍｍのフェライト系ステンレス鋼製金属板を用いた。この基材の表面に（１）レジストを塗布して乾燥させ、（２）このレジストの表面にエッチングパターンを露光して転写し、（３）現像処理によりエッチングパターンを形成した金属表面を露出させ、（４）その後、露出させた金属を腐食処理することにより、基材の二次元表面に、複数の平面視で矩形状のパターン化された凹部を形成した（図３参照）。
基材に形成された凹部と凹部の間隔は平均３．０μｍであり、凹部の開口径、即ち、凹部の幅（長さ）Ｗは２．４μｍ×２．４μｍ、凹部の深さは１．２μｍであった。
複数の凹部を有する基材は、加熱により赤外領域である４．０μｍの波長（電磁波）を放射する。
【００４５】
［触媒構造体の製造］
図７に示す方法と同様にして、触媒構造体１を製造した。
即ち、（ａ）まず、基材３に焼失材として活性炭を塗布し、基材３の凹部２に焼失材を充填させた。
（ｂ）次に、白金（Ｐｔ）担持量が１％のアルミナ粉末から成る触媒を準備した。この触媒を水に分散させてスラリーを形成し、このスラリーを凹部２に焼失材１０を充填させた基材３上に塗布した。
（ｃ）その後、５００℃で１時間焼成することにより、触媒層４を形成するとともに、焼失材１０を焼失させて触媒構造体１を製造した。
【００４６】
［試験方法］
実施例の触媒構造体を用いて、酸化反応特性を測定した。反応ガスとして、プロパン０．５％と酸素５％をヘリウム（Ｈｅ）で希釈したものを用いた。
この反応ガスと触媒構造体とを、温度を変化させて、閉鎖系中で２時間接触させ、生成されたＣＯ２の収率（％）をガスクロマトグラフ質量分析計により測定した。結果を表１及び図１０に示す。
【００４７】
（比較例）
凹部を設けていないこと以外は、実施例と同様の基材及び触媒層を備えた触媒体を製造した。比較例の触媒体について、上記試験方法と同様の方法で、生成されたＣＯ２の収率（％）を測定した。結果を表１及び図１０に示す。
【００４８】
【表１】
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【００４９】
表１及び図１０に示すように、実施例の触媒構造体は、２７０℃以上で７０％以上の高い収率でＣＯ２が生成されるのに対して、比較例の触媒体は、３００℃以上となって初めて実施例と同程度の収率のＣＯ２が得られた。
この結果から、実施例の触媒構造体は、比較例の触媒体よりも低温で、高い収率のＣＯ２を得ることができ、実施例の触媒構造体は、分子反応の活性化が促進されていることが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の触媒構造体の好ましい実施形態の一例を模式的に示す説明図である。
【図２】触媒構造体に用いる基材の第一例を模式的に示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図３】触媒構造体に用いる基材の第二例を模式的に示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図４】触媒構造体に用いる基材の第三例を模式的に示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図５】触媒構造体に用いる基材の第四例を模式的に示す断面図である。
【図６】本発明の触媒構造体の好ましい実施形態の他の例を模式的に示す説明図である。
【図７】本発明の触媒構造体の製造方法の好ましい実施形態の第一例を示す工程図である。
【図８】本発明の触媒構造体の製造方法の好ましい実施形態の第二例を示す工程図である。
【図９】本発明の触媒構造体の製造方法の好ましい実施形態の第三例を示す工程図である。
【図１０】実施例及び比較例の加熱温度とＣＯ２収率（％）との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５１】
１      触媒構造
２      凹部
２ａ    空間部
３      基材
４      触媒層
４ａ    触媒（粒子）
５      反応分子
６      反応分子
７      生成分子
８      断熱層
８ａ    空隙部
１０    焼失材
１１    網状物
２０，２１    凹部
２０ａ，２１ａ  空間部
【図１】
2010089041.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2010089041.tif 000008
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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