(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関からの酸素を含む燃焼排ガス中の窒素酸化物を、触媒の存在下で該排ガス中の一酸化炭素と炭化水素等の還元性ガスにより浄化する方法において、前記触媒として多孔質担体に活性成分として、Ｒｈ，Ｐｔ，Ｐｄの少なくとも１種と、Ｌａ，Ｃｅの少なくとも１種と、Ｎａ，Ｌｉ，Ｋ，Ｒｂの少なくとも１種とＭｇ及びＴｉを担持してなる触媒を用いることを特徴とする排ガス中の窒素酸化物の浄化方法。
【請求項２】
内燃機関からの酸素を含む燃焼排ガス中の窒素酸化物を、触媒の存在下で該排ガス中の一酸化炭素と炭化水素等の還元性ガスにより浄化する方法において、前記触媒として多孔質担体に活性成分として、ＲｈとＰｔの少なくとも１種と、Ｃｅと、ＮａとＫの少なくとも１種とＭｇ及びＴｉを担持してなる触媒を用いることを特徴とする排ガス浄化方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の方法において、前記多孔質担体がアルミナまたは、ランタンとアルミニウムの複合酸化物からなり、該複合酸化物におけるＬａとＡｌの構成比をＬａを１〜２０モル％、残部はＡｌ、としたことを特徴とする排ガス中の窒素酸化物の浄化方法。
【請求項４】
内燃機関からの酸素を含む燃焼排ガス中の窒素酸化物を該排ガス中の一酸化炭素と炭化水素等の還元性ガスにより浄化するための触媒であって、多孔質担体１００重量％に対して金属元素換算で、アルカリ金属を２.５〜２７ 重量％，ＭｇをＭｇ担持量／（アルカリ金属担持量＋Ｍｇ担持量）の重量比で１％〜４０％，Ｔｉを１重量％〜８重量％，ＬａとＣｅの少なくとも１種を５〜３０重量％，ＰｔとＲｈとＰｄの少なくとも１種をＰｔは０.５〜３重量％、Ｒｈは０.０５〜０.３重量％、Ｐｄは０.５〜１５重量％の範囲内で担持したことを特徴とする排ガス中の窒素酸化物の浄化触媒。
【請求項５】
請求項１または２のいずれかに記載の方法において、更に炭化水素燃焼触媒を組み合せて内燃機関からの燃焼排ガスを浄化することを特徴とする排ガス浄化方法。
【請求項６】
請求項１または２のいずれかに記載の方法において、前記内燃機関はガソリンエンジンまたはディーゼルエンジンであることを特徴とする排ガス浄化方法。
【請求項７】
請求項１または２のいずれかに記載の方法において、前記触媒はＰｔとＰｄのうち少なくとも一種と、Ｒｈとを含むことを特徴とする排ガス浄化方法。
【請求項８】
内燃機関からの酸素を含む燃焼排ガス中の窒素酸化物を、該排ガス中の一酸化炭素と炭化水素等の還元性ガスにより浄化する浄化触媒の製造方法であって、多孔質担体にＣｅを担持し、前記Ｃｅ担持後にＭｇ，Ｎａ，Ｔｉを担持し、さらにＰｔ，Ｒｈを担持し、最終層にＭｇを担持することを特徴とする浄化触媒の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車エンジン等の内燃機関から排出される窒素酸化物を含有する排ガスから窒素酸化物を効率良く浄化する方法に係り、また窒素酸化物を浄化する触媒に関する。
【０００２】
本発明の触媒は、理論空燃比で燃焼された排ガスのみならず空気過剰で燃焼された酸素を含む排ガスに対して高い窒素酸化物浄化性能を有しかつ、耐熱性，耐被毒性も具備しており、リーンバーン自動車エンジンから排出される排ガスを浄化するための触媒として好適である。
【０００３】
【従来の技術】
近年省資源・環境保護の流れの中で、自動車用ガソリンエンジンをリーンバーンで動かす社会的要求がある。これに伴いリーンバーンエンジンから排出される酸素を含む排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を効果的に浄化する触媒（リーンＮＯｘ触媒）の開発が進められている。
【０００４】
リーンバーンエンジン用の排ガス浄化触媒としては、リーンバーン時に排出されるＮＯｘ（リーンＮＯｘ）を吸蔵し、ストイキ燃焼時に前記吸蔵ＮＯｘを放出・還元するＮＯｘ吸蔵剤としてアルカリ金属酸化物を担持した触媒（特開平6− 31139 号公報）、また前記ＮＯｘ吸収剤として粒径を制御したアルカリ土類金属，アルカリ金属等を担持した触媒（特開平8−24643号公報）等、多数が報告されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
自動車に対する環境規制が強化される中、リーンＮＯｘ触媒はさらに高いNOx浄化性能が求められると同時に、様々に変化する車速に伴う燃焼排ガスの温度変化や燃焼排ガスに含まれる微量被毒成分（ＳＯｘ，Ｐ，Ｐｂ）に長期間耐えるための耐熱性および耐被毒性も求められている。
【０００６】
本発明の目的は、上記技術的課題に鑑み、高いＮＯｘ浄化性能を有し、かつ耐熱性，耐被毒性に優れた触媒及び排ガス浄化方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、多孔質担体に活性成分としてアルカリ金属とＴｉと、ＲｈとＰｔとＰｄから選ばれた少なくとも１種とを担持してなる触媒を用いる排ガス浄化方法にある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、多孔質担体に活性成分として、Ｒｈ，Ｐｔ，Ｐｄの少なくとも１種と、Ｌａ，Ｃｅの少なくとも１種と、Ｎａ，Ｌｉ，Ｋ，Ｒｂの少なくとも１種とＭｇ及びＴｉを担持してなる触媒を用いる排ガス浄化方法にある。本発明の触媒を用いることにより、優れたＮＯｘ浄化性能が得られる。
【０００９】
さらに、多孔質担体にＣｅを担持した後、ＭｇとＮａとＴｉを担持し、さらにＰｔとＲｈを担持し、最後にＭｇを担持することで高いＮＯｘ浄化性能が得られる。
【００１０】
多孔質担体としては、アルミナ，チタニア，シリカ，シリカ−アルミナ，マグネシア等の金属酸化物や複合酸化物等を用いることができる。また、アルミニウムと希土類金属やアルカリ土類金属との複合酸化物を用いることもできる。これらの中では、多孔質担体をアルミナまたは、ランタン（Ｌａ）とアルミニウム（Ａｌ）の複合酸化物とし、ランタンのモル比がＬａを１〜２０モル％とし残部をＡｌとすることが望ましい。
【００１１】
本発明の触媒における活性成分の担持量(金属元素換算)は、多孔質担体１００重量％に対して金属元素換算で、アルカリ金属を２.５〜２７ 重量％，ＭｇをＭｇ担持量／（アルカリ金属担持量＋Ｍｇ担持量）の重量比で１重量％〜４０重量％，Ｔｉを１重量％〜８重量％，ＬａとＣｅの少なくとも１種を５〜３０重量％，ＰｔとＲｈとＰｄの少なくとも１種をＰｔは０.５〜３ 重量％，Ｒｈは0.05〜０.３重量％，Ｐｄは０.５〜１５ 重量％の範囲内とすることが好ましい。
【００１２】
触媒の調製方法は、含浸法，混練法，共沈法，ゾルゲル法，イオン交換法，蒸着法等の物理的調製方法や化学反応を利用した調製方法などいずれも適用可能である。
【００１３】
触媒調製の出発原料としては、アルカリ金属，Ｍｇ，希土類金属，貴金属の硝酸化合物，酢酸化合物，塩化物，硫化物，炭酸化合物，有機化合物などの種々の化合物や酸または塩基で邂逅させた金属酸化物のゾルや金属及び金属酸化物等を用いることができる。Ｔｉについても同様に前記出発原料を適用でき、金属酸化物ゾルとしては、硝酸性チタニアゾル等の酸性チタニアゾルや塩基性チタニアゾルを用いることができる。酸性チタニアゾルと酸性アルカリ金属溶液の混合ゾルを用いた場合、硫黄酸化物（ＳＯｘ）に対して耐被毒性を有するチタニアの表面にアルカリ金属酸化物の粒子が付着したものが多孔質担体に担持され、出発原料として好適である。
【００１４】
本発明の触媒は、ＮＯｘ及び炭化水素の浄化能力が高いが、さらに高い炭化水素浄化能力を得るために、炭化水素燃焼触媒と組み合せることが有効である。組合せ方法としては、排ガス流路において本発明になる排ガス浄化触媒の後段に炭化水素燃焼触媒を配置することが好ましい。また、炭化水素燃焼触媒としては、三元触媒，低温度域においても高い炭化水素浄化機能を有する貴金属成分としてＰｄを主成分とする触媒，リーンバーン対応触媒であるが特に炭化水素浄化率が本発明触媒より高い触媒等を組み合せることができる。
【００１５】
本発明の浄化方法においては、活性成分となるアルカリ金属とＴｉとの複合効果により、リーンＮＯｘに対する高い親和力が創出されてＮＯｘの良好な吸着場となり、ＮＯｘ還元場となる貴金属へ吸着ＮＯｘを供給して高いＮＯｘ浄化性能が発現するものと推定される。
【００１６】
自動車内燃機関からの燃焼排ガス中に含まれている微量の硫黄酸化物は触媒活性成分、特にアルカリ金属を被毒する。本発明に於て、アルカリ金属は耐硫黄酸化物被毒性を有するＴｉと隣接することで硫黄酸化物の吸着が抑制され、耐熱性，耐被毒性が発現するものと推定される。また、還元雰囲気ではアルカリ金属に隣接している貴金属を経由して吸着硫黄酸化物の還元と脱離が起こると推定される。従って、本発明の触媒が硫黄酸化物により一時的に性能が低下しても、還元雰囲気すなわち理論空燃比以下の燃焼排ガスを用いて、４００℃〜８００℃に触媒を加熱することで硫黄酸化物の除去と触媒の再活性化が可能となる。触媒活性が低下する場合には、該再活性化にて、触媒の再活性化をする方法が好適である。
【００１７】
本発明の触媒を内燃機関エンジンの排気系統に搭載することにより、窒素酸化物が車外へ排出されるのを著しく抑制することができる。
【００１８】
本発明の触媒は、ディーゼル自動車のディーゼルエンジンから排出される排ガスの処理にも効果を発揮する。ディーゼルエンジンは、酸素過剰の高空燃比で運転されており、本発明の触媒は酸素含有下においても優れた活性を示すので、ディーゼルエンジンから排出される排ガスであっても窒素酸化物を効率良く浄化することができる。
【００１９】
本発明の触媒は、２００℃以上、６００℃以下の温度域において優れた活性を有し、特に２５０℃〜５００℃の温度域において高い活性を有する。従って、触媒とガス流とを接触させる温度いわゆる反応ガス温度は、前記温度範囲に設定することが望ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は燃料噴射方式の自動車ガソリンエンジンの概念図である。
【００２１】
吸気管８内でガソリンと混合された空気は、シリンダ内で電気着火により燃焼する。燃焼により生じた排ガスは、排気管１９，排ガス浄化触媒２０を経てシステム系外へ排出される。コントロールユニット１５において燃料噴射弁１３および点火装置の制御をすることにより、シリンダ内の燃焼状態は理論空燃比（ストイキ），燃料過剰状態（リッチ）及び空気過剰状態（リーン）の任意の状態に制御される。
【００２２】
ここで、エンジン７より排出される排ガス中には、ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘ等の有害成分が含まれているため、これらの有害成分を無害化した後、系外に排出しなければならない。
【００２３】
このため、排気管１９内には触媒作用を用いて排ガスを浄化する排ガス浄化触媒２０が設けてある。本発明では、従来のストイキ・リッチにおける燃焼排ガスの浄化に加えて新たにリーン排ガスの浄化が可能となり、図１による燃焼システムの燃焼状態を任意に設定できる。また、耐熱性と耐被毒性の向上により図１による燃焼システムを安定して作動させることができる。なお、図１における符号は、それぞれ１がエアークエイーナー、２が吸気口、５が絞り弁、９が燃料タンク、１０が燃料ポンプ、１１が燃料ダンパ、１２が燃料フィルタ、１６が配電器、１８がスロットルセンサを示す。
【００２４】
以下、具体的な例で本発明を説明するが、本発明はこれらの実施例により制限されるものではない。
【００２５】
「実施例１」
アルミナ粉末及びその前駆体からなり硝酸酸性に調整したスラリーをコージェライト製ハニカム（４００セル／inc2）にコーティングした後、乾燥焼成して、ハニカムの見掛けの容積１リットルあたり約１６０ｇのアルミナをコーティングしたアルミナコートハニカムを得た。該アルミナコートハニカムに、硝酸Ｃｅ溶液を含浸し、２００℃で乾燥後、７００℃で１時間焼成した。続いて、硝酸Ｎａと硝酸Ｍｇと硝酸性チタニアゾルの混合溶液を含浸し、同様に乾燥，焼成をした。さらに、ジニトロジアンミンＰｔ硝酸溶液と硝酸Ｒｈ溶液の混合溶液を含浸し、２００℃で乾燥後、４５０℃で１時間焼成をした。最後に、硝酸Ｍｇ溶液を含浸し、２００℃で乾燥後、４５０℃で１時間焼成をした後、７００℃で５ｈ焼成した。以上により、アルミナ１００重量％に対して、Ｃｅ１８重量％，Ｎａ１２重量％とＭｇ１.２重量％とＴｉ２.５重量％を同時に担持し、白金１.６重量％,Ｒｈ０.１５重量％そしてＭｇ１.５重量％を含有する実施例触媒１を得た。
【００２６】
同様の方法で、希土類金属をＣｅ，Ｌａ、貴金属をＲｈ，Ｐｔ，Ｐｄ、アルカリ金属をＬｉ，Ｋとした実施例触媒２〜５、及び参考触媒６を得た。また、実施例触媒１と同様の触媒調製方法であるが、本発明の方法によらない比較例触媒１を得た。
【００２７】
調製した触媒の組成をまとめて表１に示す。尚、表１中の各触媒における活性成分の担持順序は、第１成分を担持した後、第２成分を担持、以下順次第３成分を担持することを示す。また、担持量は担持金属種の前に表示した。表中のwt％は、重量％を表す。
【００２８】
【表１】
0003965711.tif 000002
【００２９】
（試験例１）
実施例触媒１〜５，参考触媒６、及び比較例触媒１について、以下の試験方法で窒素酸化物の浄化性能を評価した。
【００３０】
試験方法：
（１）ハニカム状触媒６cc（１７mm角×２１mm長さ）をパイレックス製反応管に充填する。
【００３１】
（２）温度３００℃と４００℃で浄化性能を評価する。反応管を環状電気炉に入れて、３００℃または４００℃まで昇温する。温度はハニカム入口ガス温度を測定する。温度が３００℃または４００℃に達し安定した時点で、後述のストイキ燃焼モデル排ガス（ストイキモデル排ガスという）の流通を開始する。流通３分後にストイキモデル排ガスを停止し、後述のリーンバーンのモデル排ガス（リーンモデル排ガスという）の流通を開始する。反応管から排出されるガス中のＮＯｘを化学発光法により測定する。このときのＮＯｘ浄化性能を初期性能とする。
【００３２】
ストイキモデル排ガスとしては、ＮＯを０.１vol％（体積％），Ｃ3Ｈ6を0.06vol％，ＣＯを０.６vol％，Ｏ2を０.６vol％，Ｈ2 を０.３vol％，水蒸気を１０vol％ 含み、残部が窒素からなるガスを使用した。また、リーンモデル排ガスとしては、ＮＯを０.０６vol％，Ｃ3Ｈ6を０.０５vol％，ＣＯを０.１vol％,ＣＯ2を１０vol％，Ｏ2を５vol％，水蒸気を１０vol％含み、残部が窒素からなるガスを使用した。さらに、被毒ガスとしては、ＮＯを０.１vol％，Ｃ3Ｈ6を０.０５ vol％，ＣＯを０.６vol％，Ｏ2 を０.６vol％，ＳＯ2を０.００５vol％，水蒸気を１０vol％ 含み、残部が窒素からなるガスを使用した。前記３種類のガスの空間速度は、乾燥ガス（水蒸気を含まない）で３０,０００／ｈとした。
【００３３】
（３）（２）で使用したハニカム触媒を充填した反応管を環状電気炉に入れて、３００℃まで昇温する。温度はハニカム入口ガス温度を測定する。温度が300℃に達し安定した時点で、ＳＯ2含有ストイキモデル排ガス（被毒ガスという)の流通を開始する。ＳＯ2 被毒は被毒ガスを５時間流通させて終了とする。前記ＳＯ2被毒後のハニカム触媒を用いて（２）と同様の試験をして、ＳＯ2被毒後のＮＯｘ浄化性能を得る。
【００３４】
（４）（２）で使用したハニカム触媒を焼成炉に入れて、空気雰囲気下、800℃で５時間焼成する。冷却後、（２）と同様のＮＯｘ浄化性能を測定する。
【００３５】
表２に、初期およびＳＯ2 被毒後のハニカム触媒のストイキモデル排ガスからリーンモデル排ガスに切り替えて１分後のＮＯｘ浄化率を示した。ＮＯｘ浄化率は、下記の式に従って算出した。
【００３６】
【数１】
0003965711.tif 000003
【００３７】
実施例触媒１〜５は比較例触媒に対し、初期性能が高く、耐熱性と耐ＳＯｘを具備していた。
【００３８】
【表２】
0003965711.tif 000004
【００３９】
「実施例２」
実施例触媒１の担体を、ＬａとＡｌの構成比が金属元素換算でＬａは５モル％、Ａｌは９５モル％としたＬａとＡｌの複合酸化物（Ｌａ−β−Ａｌ2Ｏ3）からなる実施例触媒７を得た。触媒調製方法は実施例触媒１と同じにし、試験方法は試験例１と同じにした。以下、特に断らない限り触媒の評価方法は試験例１の方法とする。
【００４０】
結果を前掲の実施例触媒１の結果と共に表３に示した。
【００４１】
担体を耐熱担体である、Ｌａ−β−Ａｌ2Ｏ3とすることで、耐熱性及び耐SOx性が向上した。
【００４２】
【表３】
0003965711.tif 000005
【００４３】
「実施例３」
実施例触媒１において、第２成分のＮａの担持量を変化させたときの４００℃でのＮＯｘ浄化率の初期性能を測定した。結果を図２に示した。高いＮＯｘ浄化率を得るためには、Ｎａ担持量を担体１００重量％に対して２.５〜２７ 重量％とすることで高いＮＯｘ浄化率が得られる。
【００４４】
「実施例４」
実施例触媒１において、第２成分中のＭｇ担持量，Ｍｇ担持量／（Ｎａ担持量＋Ｍｇ担持量）の重量比を変化させたときの４００℃での初期のＮＯｘ浄化率を測定した。結果を図３に示した。高いＮＯｘ浄化率を得るためには、Ｍｇ担持量／（Ｎａ担持量＋Ｍｇ担持量）の重量比を１〜４０重量％とすることが好適である。
【００４５】
「実施例５」
実施例触媒１において、第１成分Ｃｅの担持量を変化させたときの４００℃での初期のＮＯｘ浄化率を測定した。結果を図４に示した。Ｃｅ担持量を５〜３０重量％とすることで高いＮＯｘ浄化率が得られる。
【００４６】
「実施例６」
実施例触媒１において、ＰｔとＲｈの担持量を変化させたときの４００℃での初期のＮＯｘ浄化率を測定した。結果を図５に示した。Ｐｔの担持量を０.５〜３重量％，Ｒｈの担持量を０.０５〜０.３重量％とすることで高いＮＯｘ浄化率が得られる。
【００４７】
「実施例７」
実施例触媒１において、ＰｔとＰｄの担持量を変化させたときの４００℃での初期のＮＯｘ浄化率を測定した。結果を図６に示した。Ｐｔの担持量を０.５〜３重量％，Ｐｄの担持量を０.５〜１５ 重量％とすることで、高いＮＯｘ浄化率が得られる。
【００４８】
「実施例８」
実施例触媒２において、第２成分のＴｉの担持量をアルミナ１００重量％に対して変化させた場合の初期及びＳＯ2 被毒後の４００℃におけるＮＯｘ浄化率を測定した。結果を図７に示した。Ｔｉの担持量を１〜８重量％とすることで、高いＮＯｘ浄化率と耐ＳＯｘ性が得られる。
【００４９】
「実施例９」
実施例触媒１を試験例１の（３）と同じ方法でＳＯ2 処理をした。そしてリーン１分後のＮＯｘ浄化率を測定した。次に、試験例１に記載のストイキモデル排ガスを４００℃で１５分間流通するストイキ処理をした。温度を３００℃に冷却後、試験例１に記載のリーンモデル排ガスを流通し、１分後のＮＯｘ浄化率を測定した。結果を表４に示した。ストイキ処理で触媒性能が回復した。
【００５０】
【表４】
0003965711.tif 000006
【００５１】
「実施例１０」
実施例触媒１について試験例１の方法によりストイキ排ガス切替後１分後の
ＮＯｘ浄化率を測定した。結果を表５に示した。
【００５２】
【表５】
0003965711.tif 000007
【００５３】
「実施例１１」
（試験例２）
実施例触媒１について、試験例１の試験方法（１）から（３）と同じ方法であるが、反応管から排出されるガス中のＨＣをＦＩＤ法により測定した。
【００５４】
ストイキモデル排ガスまた、リーンモデル排ガスも試験例１と同じにした。
【００５５】
表６に、ハニカム触媒のストイキモデル排ガスからリーンモデル排ガスに切り替えて１分後のＨＣ浄化率を示した。ＨＣ浄化率は、下記の式に従って算出した。
【００５６】
【数２】
0003965711.tif 000008
【００５７】
本発明はエンジンより排出される排ガス中のＮＯｘの浄化に加えてＨＣの浄化にも適する。
【００５８】
【表６】
0003965711.tif 000009
【００５９】
「実施例１２」
実施例触媒１のハニカム状触媒４cc（１７mm角×１４mm長さ）と、実施例触媒１の第２成分と第３成分を除いたハニカム状三元触媒２cc(１７mm角×７mm長さ)とを配置して試験例２の方法により、リーン切替え１分後のＨＣ浄化率を測定した。ＨＣ浄化率は３００℃，４００℃共に１００％となった。従って、本実施例はエンジンより排出される排ガス中のＮＯｘの浄化に加えてＨＣの浄化にも適する。
【００６０】
【発明の効果】
本発明によれば、酸素を含む排ガスから、窒素酸化物を効率良く浄化することができ、かつ該触媒は耐熱性と排ガス中に微量含まれる触媒被毒物質に対して耐性を持たせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料噴射方式の自動車ガソリンエンジンの概念図。
【図２】Ｎａ担持量とＮＯｘ浄化率との関係を示すグラフ。
【図３】Ｍｇ，Ｎａ担持量とＮＯｘ浄化率との関係を示すグラフ。
【図４】Ｃｅ担持量とＮＯｘ浄化率との関係を示すグラフ。
【図５】Ｒｈ，Ｐｔ担持量とＮＯｘ浄化率との相関図。
【図６】Ｐｄ，Ｐｔ担持量とＮＯｘ浄化率との相関図。
【図７】Ｔｉ担持量とＮＯｘ浄化率との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
７…エンジン、８…吸気管、１３…燃料噴射弁、１５…コントロールユニット、１９…排気管、２０…排ガス浄化触媒。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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