(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材セラミックの構成元素であるＳｉ、ＡｌおよびＭｇのうちの少なくとも１種類またはそれ以上の元素が、構成元素以外の元素と置換されており、この置換元素に対して触媒成分を直接担持可能であるセラミック体であって、上記置換元素が、その電子軌道にｄまたはｆ軌道を有する少なくとも１種類またはそれ以上の元素、または酸化状態を２つ以上有する少なくとも１種類またはそれ以上の元素であり、置換される上記構成元素の酸化数の和が、上記置換元素の酸化数の和と等しくなるように、上記構成元素を、これと異なる価数を持った複数の上記置換元素にて置換することを特徴とするセラミック体。
【請求項２】
基材セラミックの構成元素であるＳｉ、ＡｌおよびＭｇのうちの少なくとも１種類またはそれ以上の元素が、構成元素以外の元素と置換されており、この置換元素に対して触媒成分を直接担持可能であるセラミック体であって、上記置換元素が、その電子軌道にｄまたはｆ軌道を有する少なくとも１種類またはそれ以上の元素、または酸化状態を２つ以上有する少なくとも１種類またはそれ以上の元素であり、置換される上記構成元素の酸化数の和が、上記置換元素の酸化数の和と等しくなるように、上記構成元素を、これと同じ価数または異なる価数を持った上記置換元素となる２種類の元素で置換するとともに、これら２種類の元素の原子数の比が１：１で、かつこれら２種類の元素の原子数の総和が、置換される上記構成元素の原子数と同じであることを特徴とするセラミック体。
【請求項３】
上記置換元素となる２種類の元素で置換される構成元素サイトが、２種ともにＳｉサイトである請求項２記載のセラミック体。
【請求項４】
上記置換元素となる２種類の元素で置換される構成元素サイトが、１種はＳｉサイトであり、もう１種はＡｌサイトである請求項２記載のセラミック体。
【請求項５】
上記置換元素となる２種類の元素で置換される構成元素サイトが、１種はＳｉサイトであり、もう１種はＭｇサイトである請求項２記載のセラミック体。
【請求項６】
上記置換元素となる２種類の元素で置換される構成元素サイトが、２種ともにＡｌサイトである請求項２記載のセラミック体。
【請求項７】
上記置換元素となる２種類の元素で置換される構成元素サイトが、１種はＡｌサイトであり、もう１種はＭｇサイトである請求項２記載のセラミック体。
【請求項８】
上記置換元素となる２種類の元素で置換される構成元素サイトが、２種ともにＭｇサイトである請求項２記載のセラミック体。
【請求項９】
上記構成元素を、上記置換元素となる３種類の元素で置換するとともに、これら３種類の元素のうちの２つが同じ価数を有し、この同じ価数の２種類の元素と残る１種類の元素の原子数の比が２：１で、かつこれら３種類の元素の原子数の総和が、置換される上記構成元素の原子数と同じである請求項１記載のセラミック体。
【請求項１０】
上記構成元素を、上記置換元素となる３種類の元素で置換するとともに、これら３種類の元素がそれぞれ異なる価数を有し、これら３種類の元素の原子数の比が１：１：１で、かつこれら３種類の元素の原子数の総和が、置換される上記構成元素の原子数と同じである請求項１記載のセラミック体。
【請求項１１】
基材セラミックの構成元素であるＳｉ、ＡｌおよびＭｇのうちの少なくとも１種類またはそれ以上の元素が、構成元素以外の元素と置換されており、この置換元素に対して触媒成分を直接担持可能であるセラミック体であって、上記置換元素が、その電子軌道にｄまたはｆ軌道を有する少なくとも１種類またはそれ以上の元素、または酸化状態を２つ以上有する少なくとも１種類またはそれ以上の元素であり、置換される上記構成元素の酸化数の和が、上記置換元素の酸化数の和と等しくなるように、上記構成元素を、上記置換元素となる３種類の元素で置換するとともに、これら３種類の元素のうちの少なくとも１つが上記構成元素と同じ価数を有し、これら３種類の元素の原子数の比が１：１：１で、かつこれら３種類の元素の原子数の総和が、置換される上記構成元素の原子数と同じであることを特徴とするセラミック体。
【請求項１２】
上記構成元素を、上記置換元素となる４種類の元素で置換するとともに、これら４種類の元素のうちの２つずつが同じ価数を有し、この同じ価数の２種類ずつの元素の原子数の比が１：１で、かつこれら４種類の元素の原子数の総和が、置換される上記構成元素の原子数と同じである請求項１記載のセラミック体。
【請求項１３】
上記構成元素を、上記置換元素となる４種類の元素で置換するとともに、これら４種類の元素のうちの２つが同じ価数を有し、この同じ価数の２種類の元素と残る２種類の元素の原子数の比が２：１：１で、かつこれら４種類の元素の原子数の総和が、置換される上記構成元素の原子数と同じである請求項１記載のセラミック体。
【請求項１４】
基材セラミックの構成元素であるＳｉ、ＡｌおよびＭｇのうちの少なくとも１種類またはそれ以上の元素が、構成元素以外の元素と置換されており、この置換元素に対して触媒成分を直接担持可能であるセラミック体であって、上記置換元素が、その電子軌道にｄまたはｆ軌道を有する少なくとも１種類またはそれ以上の元素、または酸化状態を２つ以上有する少なくとも１種類またはそれ以上の元素であり、置換される上記構成元素の酸化数の和が、上記置換元素の酸化数の和と等しくなるように、上記構成元素を、上記置換元素となる４種類の元素で置換するとともに、これら４種類の元素のうちの２つが上記構成元素と同じ価数を有し、この同じ価数の２種類の元素と残る２種類の元素の原子数の比が２：１：１で、かつこれら４種類の元素の原子数の総和が、置換される上記構成元素の原子数と同じであることを特徴とするセラミック体。
【請求項１５】
上記構成元素を、上記置換元素となる４種類の元素で置換するとともに、これら４種類の元素のうちの３つが同じ価数を有し、この同じ価数の３種類の元素と残る１種類の元素の原子数の比が３：１で、かつこれら４種類の元素の原子数の総和が、置換される上記構成元素の原子数と同じである請求項１記載のセラミック体。
【請求項１６】
上記構成元素を、上記置換元素となる４種類の元素で置換するとともに、これら４種類の元素の原子数の比が１：１：１：１で、かつこれら４種類の元素の原子数の総和が、置換される上記構成元素の原子数と同じである請求項１記載のセラミック体。
【請求項１７】
基材セラミックの構成元素であるＳｉ、ＡｌおよびＭｇのうちの少なくとも１種類またはそれ以上の元素が、構成元素以外の元素と置換されており、この置換元素に対して触媒成分を直接担持可能であるセラミック体であって、上記置換元素が、その電子軌道にｄまたはｆ軌道を有する少なくとも１種類またはそれ以上の元素、または酸化状態を２つ以上有する少なくとも１種類またはそれ以上の元素であり、置換される上記構成元素の酸化数の和が、上記置換元素の酸化数の和と等しくなるように、上記構成元素を、上記置換元素となる４種類の元素で置換するとともに、これら４種類の元素のうちの少なくとも１つが上記構成元素と同じ価数を有し、これら４種類の元素の原子数の比が１：１：１：１で、かつこれら４種類の元素の原子数の総和が、置換される上記構成元素の原子数と同じであることを特徴とするセラミック体。
【請求項１８】
上記置換元素は、その電子軌道にｄまたはｆ軌道を有する少なくとも１種類またはそれ以上の元素である請求項１ないし１７のいずれか記載のセラミック体。
【請求項１９】
上記置換元素は、そのｄまたはｆ軌道に空軌道を有している請求項１８記載のセラミック体。
【請求項２０】
上記置換元素は、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｃｅ、Ｗ、Ｉｒ、Ｐｔから選ばれる少なくとも１種類またはそれ以上の元素である請求項１９記載のセラミック体。
【請求項２１】
上記置換元素は、酸化状態を２つ以上有する少なくとも１種類またはそれ以上の元素である請求項１ないし１７のいずれか記載のセラミック体。
【請求項２２】
上記置換元素は、Ｃｕ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕから選ばれる少なくとも１種類またはそれ以上の元素である請求項２１記載のセラミック体。
【請求項２３】
上記置換元素の固溶量が、置換される上記構成元素の原子数の５ｐｐｂ以上である請求項１ないし２２のいずれかに記載のセラミック体。
【請求項２４】
上記置換元素の固溶量が、置換される上記構成元素の原子数の５ｐｐｍ以上である請求項１ないし２２のいずれかに記載のセラミック体。
【請求項２５】
上記置換元素の固溶量が、置換される上記構成元素の原子数の０．０１％以上５０％以下の範囲である請求項１ないし２２のいずれかに記載のセラミック体。
【請求項２６】
上記置換元素の固溶量が、コージェライトを主成分とする上記基材セラミックに対しては、置換される上記構成元素の原子数の２ないし７％の範囲であり、アルミナを主成分とする上記基材セラミックに対しては、置換される上記構成元素の原子数の１ないし５％の範囲である請求項２５記載のセラミック体。
【請求項２７】
上記触媒成分が、主触媒もしくは助触媒成分として、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｓｅ、Ｒｂ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｓｃ、Ｂａ、Ｋおよびランタノイド元素から選ばれる少なくとも１種類ないしそれ以上の元素またはその酸化物を含む請求項１ないし２６のいずれかに記載のセラミック体。
【請求項２８】
上記触媒成分が、主触媒成分として、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｉｒ、助触媒成分として、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅから選ばれる少なくとも１種類ないしそれ以上の元素またはその酸化物を含む請求項１ないし２６のいずれかに記載のセラミック体。
【請求項２９】
上記触媒成分が、上記置換元素と電子軌道が重なることで担持可能となる請求項１ないし２８のいずれかに記載のセラミック体。
【請求項３０】
上記触媒成分が、上記置換元素とイオン結合することで担持可能となる請求項１ないし２８のいずれかに記載のセラミック体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、自動車エンジンの排ガス浄化用触媒等において、触媒を担持させるための担体として用いられるセラミック体およびセラミック触媒体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
触媒担体用のセラミック体には、従来より、高耐熱衝撃性のコージェライトが広く用いられており、一般に、ハニカム状に成形したコージェライト表面を、γ−アルミナで被覆（コート）した後、貴金属触媒を担持させて触媒体としている。コート層を形成するのは、コージェライトは比表面積が小さく、そのままでは、必要な量の触媒成分を担持させることが困難なためで、高比表面積のγ−アルミナを用いることにより、担体の表面積を大きくすることができる。
【０００３】
ところが、担体表面をγ−アルミナでコートすることは、一方で、重量増加による熱容量増加をまねく不具合がある。近年、触媒の早期活性化のために、ハニカム担体のセル壁を薄くして熱容量を下げることが検討されており、コート層の形成はその効果を半減させることになる。また、コート層により熱膨張係数が大きくなる、セル開口面積の縮小により圧損が増加する等の問題があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このため、コート層を形成することなく、触媒成分を担持可能なセラミック体について、種々検討がなされている。例えば、特公平５−５０３３８号公報には、酸処理した後、熱処理することによりコージェライト自体の比表面積を向上させる方法が提案されている。しかしながら、この方法では、酸処理や熱処理によりコージェライトの結晶格子が破壊されて強度が低下する問題があり、実用的ではなかった。
【０００５】
本発明は、これら従来技術の問題点を解決し、コート層を形成することなく、必要量の触媒成分が担持可能なセラミック体を、強度等の特性を低下させずに得ること、そして、実用性、耐久性に優れた高性能なセラミック触媒体を実現することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１のセラミック体は、基材セラミックを構成する元素であるＳｉ、ＡｌおよびＭｇのうちの少なくとも１種類またはそれ以上の元素が、構成元素以外の元素と置換されており、置換元素に対して触媒成分を直接担持可能である。この時、上記置換元素が、その電子軌道にｄまたはｆ軌道を有する少なくとも１種類またはそれ以上の元素、または酸化状態を２つ以上有する少なくとも１種類またはそれ以上の元素であり、置換される上記構成元素の酸化数の和が、上記置換元素の酸化数の和と等しくなるように、上記構成元素および上記置換元素を選択しており、具体的には、上記構成元素を、これと異なる価数を持った複数の上記置換元素にて置換することを特徴とする。
【０００７】
本発明のセラミック体は、基材セラミックの構成元素の一部を置換することにより、該置換元素に触媒成分を直接担持させるので、酸処理等により構成成分を溶出させて基材セラミック自体の比表面積を大きくする従来技術と異なり、結晶格子が破壊されて強度が低下する問題が生じない。ここで、酸化数の和が置換前後で異なると、格子欠陥が発生して、この欠陥に弱い結合力で担持される触媒成分が、熱劣化の原因となるおそれがあるが、酸化数の和を等しくすることで、これを抑制できる。特に、構成元素の１つを、これと異なる価数を持った複数の上記置換元素にて置換すると、その価数を適宜組み合わせることにより、置換前後で酸化数の和を容易に一致させることができる。よって、強度を保持しつつ、触媒成分を直接担持させることが可能で、実用性、耐久性に優れる。
【０００８】
この時、上記置換元素上に上記触媒成分が化学的結合により担持される。上記触媒成分が化学的に結合されることにより、空孔内に触媒金属粒子が保持される通常の担持構造よりも、保持性が向上する。また、触媒成分を担体に均一分散させることができ、凝集しにくいので、長期使用による劣化も小さい。
【０００９】
上記基材セラミックには、コージェライトを成分として含むセラミック、好適には、コージェライトを１容量％以上、好ましくは、５容量％以上含むセラミックが用いられる。コージェライトは耐熱衝撃性に優れ、例えば自動車排ガス用の触媒体として好適である。
【００１０】
ここで、置換される上記構成元素（Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｇ）と、上記置換元素の有効イオン半径の比は、０．７〜２．０の範囲であると元素置換しやすい。
【００１１】
より具体的には、請求項２のように、基材セラミックの構成元素であるＳｉ、ＡｌおよびＭｇのうちの少なくとも１種類またはそれ以上の元素が、構成元素以外の元素と置換されており、この置換元素に対して触媒成分を直接担持可能であるセラミック体において、上記置換元素が、その電子軌道にｄまたはｆ軌道を有する少なくとも１種類またはそれ以上の元素、または酸化状態を２つ以上有する少なくとも１種類またはそれ以上の元素であり、置換される上記構成元素の酸化数の和が、上記置換元素の酸化数の和と等しくなるように、上記構成元素を、これと同じ価数または異なる価数を持った上記置換元素となる２種類の元素で置換することができる。そして、これら２種類の元素の原子数の比が１：１で、かつこれら２種類の元素の原子数の総和が、置換される上記構成元素の原子数と同じとすることで、上記効果が得られる。
【００１２】
この時、請求項３のように、上記置換元素となる２種類の元素で置換される構成元素サイトを、２種ともにＳｉサイトとすることができる。それ以外にも、請求項４のように、上記置換元素となる２種類の元素で置換される構成元素サイトが、１種はＳｉサイトであり、もう１種はＡｌサイトである場合、請求項５のように、上記置換元素となる２種類の元素で置換される構成元素サイトが、１種はＳｉサイトであり、もう１種はＭｇサイトである場合、請求項６のように、上記置換元素となる２種類の元素で置換される構成元素サイトが、２種ともにＡｌサイトである場合、請求項７のように、上記置換元素となる２種類の元素で置換される構成元素サイトが、１種はＡｌサイトであり、もう１種はＭｇサイトである場合、請求項８のように、上記置換元素となる２種類の元素で置換される構成元素サイトが、２種ともにＭｇサイトである場合がある。
【００１３】
あるいは、請求項９のように、請求項１の構成において、上記構成元素を、上記置換元素となる３種類の元素で置換することもできる。そして、これら３種類の元素のうちの２つが同じ価数を有し、この同じ価数の２種類の元素と残る１種類の元素の原子数の比が２：１で、かつこれら３種類の元素の原子数の総和が、置換される上記構成元素の原子数と同じとなるようにすることで、上記効果が得られる。
【００１４】
または、請求項１０のように、請求項１の構成において、上記構成元素を、上記置換元素となる３種類の元素で置換するとともに、これら３種類の元素がそれぞれ異なる価数を有し、これら３種類の元素の原子数の比が１：１：１で、かつこれら３種類の元素の原子数の総和が、置換される上記構成元素の原子数と同じとすることもできる。
【００１５】
請求項１１のように、置換元素に対して触媒成分を直接担持可能である上記セラミック体において、上記置換元素が、その電子軌道にｄまたはｆ軌道を有する少なくとも１種類またはそれ以上の元素、または酸化状態を２つ以上有する少なくとも１種類またはそれ以上の元素であり、置換される上記構成元素の酸化数の和が、上記置換元素の酸化数の和と等しくなるように、上記構成元素を、上記置換元素となる３種類の元素で置換するとともに、これら３種類の元素のうちの少なくとも１つが上記構成元素と同じ価数を有し、これら３種類の元素の原子数の比が１：１：１で、かつこれら３種類の元素の原子数の総和が、置換される上記構成元素の原子数と同じとすることもできる。
【００１６】
請求項１２のように、請求項１の構成において、上記構成元素を、上記置換元素となる４種類の元素で置換することもできる。そして、これら４種類の元素のうちの２つずつが同じ価数を有し、この同じ価数の２種類ずつの元素の原子数の比が１：１で、かつこれら４種類の元素の原子数の総和が、置換される上記構成元素の原子数と同じであるとしても同様の効果が得られる。
【００１７】
請求項１３のように、請求項１の構成において、上記構成元素を、上記置換元素となる４種類の元素で置換するとともに、これら４種類の元素のうちの２つが同じ価数を有し、この同じ価数の２種類の元素と残る２種類の元素の原子数の比が２：１：１で、かつこれら４種類の元素の原子数の総和が、置換される上記構成元素の原子数と同じとすることもできる。
【００１８】
請求項１４のように、置換元素に対して触媒成分を直接担持可能である上記セラミック体において、上記置換元素が、その電子軌道にｄまたはｆ軌道を有する少なくとも１種類またはそれ以上の元素、または酸化状態を２つ以上有する少なくとも１種類またはそれ以上の元素であり、置換される上記構成元素の酸化数の和が、上記置換元素の酸化数の和と等しくなるように、上記構成元素を、上記置換元素となる４種類の元素で置換するとともに、これら４種類の元素のうちの２つが上記構成元素と同じ価数を有し、この同じ価数の２種類の元素と残る２種類の元素の原子数の比が２：１：１で、かつこれら４種類の元素の原子数の総和が、置換される上記構成元素の原子数と同じとすることもできる。
【００１９】
請求項１５のように、請求項１の構成において、上記構成元素を、上記置換元素となる４種類の元素で置換するとともに、これら４種類の元素のうちの３つが同じ価数を有し、この同じ価数の３種類の元素と残る１種類の元素の原子数の比が３：１で、かつこれら４種類の元素の原子数の総和が、置換される上記構成元素の原子数と同じとすることもできる。
【００２０】
請求項１６のように、請求項１の構成において、上記構成元素を、上記置換元素となる４種類の元素で置換するとともに、これら４種類の元素の原子数の比が１：１：１：１で、かつこれら４種類の元素の原子数の総和が、置換される上記構成元素の原子数と同じとすることもできる。
【００２１】
請求項１７のように、置換元素に対して触媒成分を直接担持可能である上記セラミック体において、上記置換元素が、その電子軌道にｄまたはｆ軌道を有する少なくとも１種類またはそれ以上の元素、または酸化状態を２つ以上有する少なくとも１種類またはそれ以上の元素であり、置換される上記構成元素の酸化数の和が、上記置換元素の酸化数の和と等しくなるように、上記構成元素を、上記置換元素となる４種類の元素で置換するとともに、これら４種類の元素のうちの少なくとも１つが上記構成元素と同じ価数を有し、これら４種類の元素の原子数の比が１：１：１：１で、かつこれら４種類の元素の原子数の総和が、置換される上記構成元素の原子数と同じとすることもできる。
【００２２】
請求項１８のように、上記置換元素としては、その電子軌道にｄまたはｆ軌道を有する元素が用いられ、これらのうち少なくとも１種類またはそれ以上の元素を選択することで上記効果が得られる。
【００２３】
請求項１９のように、上記置換元素は、そのｄまたはｆ軌道に空軌道を有していることが、より好ましい。具体的には、請求項２０のように、上記置換元素として、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｃｅ、Ｗ、Ｉｒ、Ｐｔから選ばれる少なくとも１種類またはそれ以上の元素が用いられる。これら元素は、触媒成分とエネルギー準位が近いため、電子の授与が生じやすい。
【００２４】
あるいは、請求項２１のように、上記置換元素は、安定酸化状態を２つ以上有する少なくとも１種類またはそれ以上の元素とすることもできる。このような元素には、請求項２２のように、上記置換元素は、Ｃｕ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕから選ばれる少なくとも１種類またはそれ以上の元素が挙げられ、同様の効果が得られる。
【００２５】
請求項２３のように、触媒成分を担持するために必要な、上記置換元素の固溶量は、置換される上記構成元素の原子数の５ｐｐｂ以上である。同一担持量であっても触媒粒径が小さくなると触媒粒子数が多くなるため、好ましくは、請求項２４のように、上記置換元素の固溶量が、置換される上記構成元素の原子数の５ｐｐｍ以上とするとよい。さらに、請求項２５のように、上記置換元素の固溶量が、置換される上記構成元素の原子数の０．０１％以上５０％以下の範囲であるとより好ましく、この範囲で、結晶構造への影響を与えることなく、上記効果が得られる。また、請求項２６のように、上記置換元素の固溶量は、コージェライトを主成分とする上記基材セラミックに対しては、置換される上記構成元素の原子数の２ないし７％の範囲、アルミナを主成分とする上記基材セラミックに対しては、置換される上記構成元素の原子数の１ないし５％の範囲に、最適値をもつ。
【００２６】
請求項２７のように、上記触媒成分としては、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｓｅ、Ｒｂ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｓｃ、Ｂａ、Ｋおよびランタノイド元素とそれらの酸化物が、主触媒もしくは助触媒成分として好適に使用され、少なくとも１種類またはそれ以上の元素とそれらの酸化物を目的に応じて選択することができる。好ましくは、請求項２８のように、主触媒成分として、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｉｒ、助触媒成分として、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅから選ばれる少なくとも１種類ないしそれ以上の元素またはその酸化物を、上記触媒成分として使用するとよい。
【００２７】
請求項２９のように、上記触媒成分は、上記置換元素と電子軌道が重なることで担持可能となる。または、請求項３０のように、上記置換元素とイオン結合することで担持可能となり、化学結合によるため、結合力が大きく熱劣化しにくい。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。本発明のセラミック体は、基材セラミックを構成する元素のうち、少なくとも１種類またはそれ以上の元素を、構成元素以外の元素と置換することにより、この置換元素に対して触媒成分を直接担持可能としたものである。触媒成分の直接担持により得られるセラミック触媒体は、例えば、自動車用排ガス浄化触媒等として好適に使用される。基材セラミックには、理論組成が２ＭｇＯ・２Ａｌ2 Ｏ3 ・５ＳｉＯ2 で表されるコージェライトを成分として含むセラミックが好適に用いられる。具体的には、コージェライトを１容量％以上、好ましくは、５容量％以上含むセラミックが好適に用いられる。コージェライト以外にも、チタニア、アルミナ、スピネル、チタン酸アルミニウム、炭化珪素、ムライト、リン酸ジルコニウム、窒化珪素、ゼオライト、シリカアルミナ等のセラミックを用いることもできる。セラミック体の形状は、特に制限されず、例えば、ハニカム状、フォーム状、中空繊維状、繊維状、粉体状またはペレット状等、種々の形状とすることができる。
【００３７】
基材セラミックの構成元素（例えば、コージェライトであれば、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｇ）と置換される元素は、これら構成元素よりも担持される触媒成分との結合力が大きく、触媒成分を化学的結合により担持可能な元素が用いられる。このような置換元素としては、具体的には、これら構成元素と異なる元素で、その電子軌道にｄまたはｆ軌道を有する少なくとも１種類またはそれ以上の元素が挙げられ、好ましくは、そのｄまたはｆ軌道に空軌道を有している元素、または、酸化状態を２つ以上持つ元素が用いられる。ｄまたはｆ軌道に空軌道を有する元素は、担持される貴金属触媒等とエネルギー準位が近く、電子の授与が行われやすいため、触媒成分と結合しやすい。また、酸化状態を２つ以上持つ元素も、電子の授与が行われやすく、同様の作用を有する。
【００３８】
ｄまたはｆ軌道に空軌道を有する置換元素の具体例には、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｌｕ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ等が挙げられ、好ましくは、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｃｅ、Ｗ、Ｉｒ、Ｐｔから選ばれる少なくとも１種類またはそれ以上の元素が用いられる。なお、上記元素のうち、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔは、酸化状態を２つ以上有する元素でもある。
【００３９】
また、これら以外の酸化状態を２つ以上持つ元素の具体例には、Ｃｕ、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｂｒ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｉ、Ｙｂ、Ａｕ等が挙げられ、好ましくは、Ｃｕ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕから選ばれる少なくとも１種類またはそれ以上の元素が用いられる。
【００４０】
これら置換元素で基材セラミックの構成元素を置換する場合、置換元素の固溶量は、置換される構成元素の原子数の５ｐｐｂ以上、好ましくは５ｐｐｍ以上となるようにする。図１（ａ）より、担持される触媒成分の平均粒径が小さいほど触媒性能（Ｔ５０：５０％浄化性能）は向上する。触媒成分の平均粒径は、通常１００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以下であり、図１（ｂ）より、平均粒径５０ｎｍの時、触媒性能を発現するためには、触媒担持量は０．０１ｇ／Ｌ以上必要であるから、図２より、触媒担持量０．０１ｇ／Ｌの時、触媒成分の平均粒径を５０ｎｍ以下とするには、置換元素の固溶量が５ｐｐｂ（５×１０-9）以上必要であることが分かる。また、平均粒径が５ｎｍ以下であれば、置換元素の固溶量は５ｐｐｍ（５×１０-6）以上必要となる。
【００４１】
より好ましくは、置換元素の固溶量が、置換される構成元素の原子数の０．０１％以上５０％以下の範囲となるようにする。なお、構成元素の１つを複数の置換元素で置換する場合には、その総置換量が上記範囲となるようにする。置換による十分な効果を得るには、また、ＥＰＭＡ等の分析装置による検出限界、不可避不純物濃度を考慮すると、０．０１％以上とするのがよく、５０％を越えると基材セラミックの構造に対する影響が大きくなるので好ましくない。具体的には、基材セラミックの種類や置換元素等に応じて、置換元素の固溶量が最適となるように、適宜設定するとよい。例えば、基材セラミックがコージェライトで、置換元素がＷ、Ｔｉである時、置換元素の固溶量は、置換される構成元素の原子数の２ないし７％の範囲で最適値をもつ。同様に、チタニアに対しては、置換元素であるＷ、Ａｌの固溶量が、置換される構成元素の原子数の５ないし１５％の範囲、アルミナに対しては、置換元素であるＷ、Ｔｉの固溶量が、置換される構成元素の原子数の１ないし５％の範囲で最適値をもつ。
【００４２】
基材セラミックの構成元素の一部を置換した本発明のセラミック体を製造するには、例えば、セラミック原料を調製する際に、予め、置換される構成元素の原料の一部を置換量に応じて減らしておき、通常の方法で、混練、成形、乾燥させた後、置換元素を含む溶液に含浸させる。これを溶液から取り出し、乾燥させて成形体表面に置換元素が多く存在する状態とし、大気雰囲気中で脱脂、焼成する。このように、セラミック原料中に置換元素を練り込むのではなく、乾燥体に担持させる方法を採用することで、成形体表面に置換元素が多く存在し、その結果、焼成時に成形体表面で元素置換が起きて、固溶体を生じやすくなる。
【００４３】
ここで、上記方法に従い、基材セラミックをコージェライトとし、コージェライトの構成元素であるＡｌの５〜２０％を、Ａｌと価数が異なる置換元素Ｗで置換したセラミック体を作製した。この時、タルク、カオリン、アルミナ等からなるコージェライト化原料のうち、Ａｌ源の５〜２０％を減らした原料を用い、通常の方法で混練し、セル壁厚１００μm、セル密度４００ｃｐｓｉ(１平方インチ当たりのセル個数)、直径５０ｍｍのハニカム状に成形して、乾燥させた。次いで、この乾燥体を置換元素であるＷの化合物として酸化タングステン（ＷＯ3 ） を含む溶液に含浸させた。これを溶液から取り出し、乾燥させてハニカム成形体の表面に置換されるＷＯ3 が多く存在する状態とし、大気雰囲気中、９００℃で脱脂した後、昇温速度５℃／ｈｒ〜７５℃／ｈｒで昇温し、保持温度１２５０〜１３９０℃で焼成した。
【００４４】
基材セラミックの構成元素の一部を置換した本発明のセラミック体を製造するには、セラミック原料を調製する際に、予め、置換される構成元素の原料の一部を置換量に応じて減らしておき、セラミック原料中に置換元素を含む化合物を添加した後、通常の方法で、混練、成形、乾燥、焼成する方法を採用することもできる。
【００４５】
この方法に従い、コージェライト化原料として、タルク、カオリン、アルミナおよび水酸化アルミニウムを用い、Ａｌ源の１０％をＡｌと価数が異なる置換元素Ｗの化合物である酸化タングステン（ＷＯ3 ）として、これら出発原料をコージェライトの理論組成点付近となるように調合した。この調合原料に、バインダ、潤滑剤および保湿剤、水分を適量添加し、混練して粘土状としたものを、セル壁厚１００μm、セル密度４００ｃｐｓｉ(１平方インチ当たりのセル個数)、直径５０ｍｍのハニカム状に成形した。このハニカム体を、大気雰囲気で、１２５０〜１３９０℃で焼成した。また、コージェライト化原料として、タルク、カオリン、アルミナおよび水酸化アルミニウムを用い、Ａｌ源の２０％を複数の置換元素Ｗ、Ｔｉの化合物である酸化タングステン（ＷＯ3 ）１０％と酸化チタン（ＴｉＯ２）１０％で置換して、これら出発原料を、コージェライトの理論組成点付近となるように調合した。この調合原料に、バインダ、潤滑剤および保湿剤、水分を適量添加し、混練して粘土状としたものを、セル壁厚１００μm、セル密度４００ｃｐｓｉ(１平方インチ当たりのセル個数)、直径５０ｍｍのハニカム状に成形した。このハニカム体を、大気雰囲気で、１２６０〜１３２０℃で焼成した。
【００４６】
得られたセラミック体の構造を調べるため、一例として、Ａｌ源の１０％をＷで置換したセラミック体をＸ線回折測定した結果を図３、４に示す。図３（ａ）、（ｂ）は、焼成時の昇温速度を変更した複数のセラミック体について、ａ軸およびｃ軸の格子定数をそれぞれ測定した結果であり、図３（ａ）のように、ａ軸の格子定数が、元素置換を行わないコージェライト相（図中、●で示す）に対して明らかに変化している。これは、ＡｌとＷの置換によりコージェライト結晶相の構造に変化が起き、固溶体が存在していることを示している。他の置換元素においても、同様に格子定数の変化が見られ、固溶していることが確認されている。また、実際に、コージェライト以外の異相としてのＷＯ3 、ＭｇＷＯ4 のピークが確認された。これら異相（ＷＯ3 、ＭｇＷＯ4 ）量と昇温速度の関係を図４（ａ）、（ｂ）に示す。図４（ａ）、（ｂ）のように、これら異相（ＷＯ3 、ＭｇＷＯ4 ）量は、いずれも昇温速度と相関が見られ、また、図３（ａ）のａ軸の格子定数にも昇温速度との相関が見られることから、昇温速度が遅い（反応時間が長い）ほど、置換元素であるＷがコージェライト結晶内に多く取り込まれると推定される。ただし、異相をなくすことは理論上は可能であるが、実際の製造上は完全になくすことは困難であり、結晶性や触媒性能を悪化させない範囲で、異相が存在していても、もちろんよい。
【００４７】
上記セラミック担体に担持させる触媒成分としては、通常、主触媒として例えば、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕ等の貴金属元素が用いられ、さらに必要に応じて種々の助触媒が付加される。助触媒には、例えば、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｓｅ、Ｒｂ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｓｃ、Ｂａ、Ｋ等やランタノイド元素（Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ）等の金属元素およびそれらの酸化物または複合酸化物が挙げられ、劣化抑制、酸素吸蔵能、触媒劣化検出といった目的に応じて、これら元素のうちの１種類または複数種類を目的に応じて使用することができる。好ましくは、主触媒成分として、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｉｒ、助触媒成分として、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅから選ばれる少なくとも１種類ないしそれ以上の元素またはその酸化物が好適に使用される。
【００４８】
本発明のセラミック体に、これら触媒成分を担持させるには、通常、所望の触媒成分を含む溶液にセラミック体を含浸させた後、焼成する方法が用いられる。２種類以上の触媒成分を組み合わせて使用する場合は、複数の触媒成分を含む溶液を調製してセラミック体を含浸させればよい。例えば、図５に示すように、ＰｔとＲｈを主触媒成分として用いる場合には、ヘキサクロロ白金酸と塩化ロジウムを含有する溶液に含浸、乾燥させた後、大気雰囲気で焼成する。さらに、助触媒成分となるＣｅＯ2 を含有する溶液に含浸、乾燥させた後、大気雰囲気で焼成すれば、セラミック体表面の置換元素（ここでは、Ｃｏ、Ｗ）に、触媒成分である貴金属と助触媒がそれぞれ化学結合することにより担持される。例えば、ＣｅＯ2 は、三元触媒やＮＯｘ触媒における助触媒成分として使用される。触媒成分の担持量は、通常、貴金属触媒で０．０５〜１０ｇ／Ｌ、助触媒で１０〜２５０ｇ／Ｌの範囲とすることが好ましい。
【００４９】
このように、基材セラミックの構成元素の一部を置換した本発明のセラミック体を用いることにより、γ−アルミナ等のコート層を形成することなく、必要量の触媒成分を直接担持させたセラミック触媒体が得られる。得られるセラミック触媒体は、例えば、自動車用排ガス浄化触媒等として好適に使用され、コート層が不要なため、熱容量を低減させて触媒を早期活性化することができるとともに、熱膨張係数、圧損の低減に効果がある。また、セラミック触媒体において、触媒成分は置換元素上に化学的な結合によって、例えば、置換元素と電子の軌道を共有することにより、またはイオン結合することで担持される。従って、空孔等に物理的に担持させる方法と比較してセラミック体と触媒成分の結合が強固となり、触媒成分が熱振動等により移動して凝集する熱劣化を抑制する効果が高い。
【００５０】
なお、助触媒成分を使用する場合、助触媒をセラミック体に部分的に担持することもできる。図６は、本発明を適用した自動車用排ガス浄化触媒で、助触媒の担持領域を、ハニカム構造としたセラミック体のガス流れ方向の後端部のみとしてある。触媒をより早期に活性化するには、助触媒を担持せず、触媒量をより少なくすることが有効であるが、一方で、例えば、従来の三元触媒（γ−アルミナコート）では、助触媒の酸素吸脱着能を利用して劣化検出を行っており、助触媒をなくすと新たな劣化検出システムが必要となる。このような場合は、エンジンに近くより高温となりやすい上流側には主触媒のみを担持して、早期活性化を促し、後端部には助触媒を担持して従来の検出法での劣化検出を可能にする。劣化検出は、助触媒の酸素吸脱着能を触媒の前後に配置した２つの酸素センサで検知して、規定以上の吸脱着能を維持できなくなると、劣化と判断する。
【００５１】
また、ＮＯｘ触媒においても、ＮＯｘパージ制御時に酸素吸脱着能を有する助触媒が原因で制御遅れが生じる場合があり、助触媒を担持しない傾向があるが、制御に影響がない範囲で助触媒を部分担持することも可能で、ＮＯｘ浄化性能が向上する。これらの用途で用いられる助触媒は、例えば、Ｒｂ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｓｃ等やランタノイド元素（Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ）等の金属元素とその酸化物または複合酸化物が挙げられ、望ましくは、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｚｒ、Ｙ、Ｂａ、Ｓｒを含む酸化物または複合酸化物が好適に用いられる。
【００５２】
ここで、図７（ａ）のように、セラミック体の後端部に助触媒を担持したＮＯｘ触媒を作製し、助触媒の担持領域とＮＯｘ浄化率について調べた。図８（ａ）、（ｂ）より、後端面からの距離が５ｍｍ以上、中心からの距離が１０ｍｍ以上となる範囲で助触媒を担持すると、触媒性能（ＮＯｘ浄化性能）の向上効果が得られる。また、図８（ｃ）のように、担持領域における助触媒の担持量は、２０ｇ／ｌ以上とするのがよいことが分かる。なお、助触媒の担持領域は、後端部に限るものではなく、用途や必要性能に応じて、図７（ｂ）〜（ｅ）に示すように変更することもできる。また、助触媒の担持領域における担持量を図９（ａ）のように一定とせず、図９（ｂ）のように段階的に増量することもできる。
【００５３】
図１０（ａ）、（ｂ）は、上記のようにしてＡｌの一部をＷで置換したセラミック体に、触媒成分としてＰｔを担持させた時の、Ｐｔ担持前後のＷの結合エネルギーをＸＰＳを用いて測定した結果である。図１０（ａ）のように、触媒成分の担持によってＷのピークがブロードになり、Ｗの結合エネルギーが一部シフトしている（３４．６ｅＶ→３２．７ｅＶ）。これを拡大して示すと図１０（ｂ）のようになり、ＷＯ3 のピークの他、Ｐｔ担持の影響によると思われる複数のピーク（図中、矢印）が生じている。この時、ＷＯ3 系のピークは６９％、Ｐｔ担持の影響によるピークは３１％であった。このように、Ｐｔ担持によってＷの結合エネルギーが変化しており、置換されたＷとＰｔの間に自由電子を共有する結合が存在していることが確認された。なお、他のセラミック体の構成元素（Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｏ）には価数の変化は見られなかった。
【００５４】
さらに、同様の方法で、Ａｌの一部をＷで置換したセラミック体に、触媒成分としてＰｔを担持させたセラミック触媒体を多数作製し、各セラミック触媒体に担持されているＰｔ量をＥＰＭＡを用いて測定した。セラミック触媒体１個あたりの測定数を２０とし、その平均値を算出した結果、Ｐｔ担持量（平均値）は１．５ｇ／Ｌであり、元素置換を行っていないコージェライトよりなるセラミック体に比べ（Ｐｔ担持量０．０２ｇ／Ｌ）、大幅に触媒担持能が向上していることが分かった。
【００５５】
これは、Ｗによる元素置換により触媒成分とセラミック体との結合力が増したことを示している。図１１は、コージェライトの構成元素であるＡｌを、種々の置換元素（Ｗ、Ｔｉ、Ｇｅ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｐｔ、Ｍｏ）で置換した時の、置換元素と触媒成分であるＰｔとの化学結合力を、元素置換なしの場合（Ａｌ）と比較して示したものである。縦軸は、第１原理理論計算によって算出されたＰｔ担持による化学結合力の変化（最大値）であり、置換元素と触媒成分との結合力が、置換される構成元素（Ａｌ）と触媒成分との結合力より増大することが分かる。
【００５６】
ここで、基材セラミックの構成元素を置換する場合、例えば、コージェライトの構成元素であるＳｉ（＋４価）、Ａｌ（＋３価）、Ｍｇ（＋２価）を価数の異なる元素で置換すると、置換した元素との価数の差と置換量に相当する電荷が不足または過剰となり、結晶格子としての電気的中性を維持するために格子欠陥または酸素欠陥といった欠陥が生じる。このような欠陥を有するセラミック体に上記方法で触媒成分を担持させると、置換元素との結合により触媒成分が担持されるだけでなく、欠陥によって形成される細孔内にも触媒成分が担持される。ただし、欠陥と触媒成分の結合力は、置換元素の化学結合力よりはるかに小さいため、高温で長期にわたり使用した場合に、欠陥に結合した触媒成分が移動して凝集し、熱劣化するおそれがある。
【００５７】
これを回避するため、置換元素を選択する場合には、置換される構成元素の酸化数の和が、置換元素の酸化数の和と等しく、かつ置換される元素と置換する元素の数が等しくなるように、これら構成元素および置換元素を選択することが望ましい。例えば、コージェライトの構成元素である２個のＳｉ（＋４価）を、価数の異なるＷ（＋６価）、Ｃｏ（＋２価）１個ずつと置換させ、全体には価数の変化がないようにすれば、欠陥は生成しない。Ｓｉに対して置換可能な、６価の元素には、Ｗの他、例えば、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｓｅ、Ｔｅ等が挙げられ、２価の元素には、Ｃｏの他、例えば、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ等が挙げられる。従って、これら６価の元素のうちの少なくとも１種類と、２価の元素のうちの少なくとも１種類とを用い、６価の元素と２価の元素の原子数の比が１：１で、かつ置換元素の原子数の総和が、置換される構成元素（Ｓｉ）の原子数と同じになるようにすればよい。
【００５８】
また、構成元素と同じ価数の置換元素を用いることにより、欠陥の発生を抑制することもできる。例えば、２個のＳｉ（＋４価）を、これと同じ価数のＣｅ（＋４価）１個とＺｒ（＋４価）１個で置換させた場合、価数の変化がないので、欠陥は生成しない。異なる価数の元素の組み合わせとして、２個のＳｉ（＋４価）を、Ｖ（＋５価）とＣｒ（＋３価）１個ずつで置換することもできる。その他、３個のＳｉ（＋４価）を、これと同じ価数または異なる価数の元素を含む３種類の元素、例えば、Ｗ（＋６価）、Ｆｅ（＋３価）、Ｃｒ（＋３価）１個ずつの計３個と置換したり、４個のＳｉ（＋４価）を、これと同じ価数または異なる価数の元素を含む４種類の元素で置換することもできる。いずれの場合も、置換される構成元素と置換元素の酸化数の和が等しく、かつ置換される元素と置換する元素の原子数が等しくなるように、置換元素を選択する。このＳｉ（＋４価）置換原子数と、置換元素の価数の組み合わせを表１に、元素種と取り得る価数を表４に示す。
【００５９】
表２、表３は、置換される構成元素がＡｌ、Ｍｇである時の、置換する原子数と、置換元素の価数の組み合わせの例を示す。同様に、構成元素が３価のＡｌである場合には、置換元素として、４価の元素、例えば、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｖ、Ｇｅ、Ｚｒ、Ｃｅのうちの少なくとも１種類と、２価の元素、例えば、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒのうちの少なくとも１種類を選択することができる。これら４価の元素と２価の元素は原子数の比が１：１で、かつ第１の元素と第２の元素の原子数の総和が、置換される構成元素（Ａｌ）の原子数と同じとなるようにする。置換される構成元素が２価のＭｇである時には、例えば、３価の元素と１価の元素を組み合わせて置換元素とすればよい。置換する原子数が３個以上の場合も同様で、表２、３に示される種々の組み合わせが採用できる。
【００６０】
このように、構成元素と同じ価数の置換元素または異なる価数の置換元素を、表１〜表３のように組み合わせて用いることにより、欠陥の発生を抑制することもできる。ただし、上記のようにして、欠陥をなくすことは理論上は可能であるが、実際の製造上は、完全に欠陥をなくすことは困難であり、結晶性や触媒性能を悪化させない範囲で、欠陥を有していてももちろんよい。
【００６１】
【表１】
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【００６２】
【表２】
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【００６３】
【表３】
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【００６４】
【表４】
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【００６５】
構成元素と異なる価数を持った元素で置換される場合に許容される欠陥の数としては、例えば、コージェライトのＡｌを置換する時、これによって生成する格子欠陥が、式量（２ＭｇＯ・２Ａｌ2 Ｏ3 ・５ＳｉＯ2 ）あたり２個以下であることが望ましい。これは、３価のＡｌは、式量（２ＭｇＯ・２Ａｌ2 Ｏ3 ・５ＳｉＯ2 ）中、４個存在し、これを２個の６価のＷで置換すると、欠陥が２個生じてＡｌがなくなり、コージェライト結晶の歪が大きくなり、不安定になるためである。式量当たりの原子の数は２９であるから、格子欠陥がその７％程度以下となるのがよい。
【００６６】
さらに、基材セラミックの構成元素を置換する場合、イオン半径については、置換される構成元素と置換する元素の有効イオン半径の比が０．７〜２．０の範囲にあれば、置換可能であると考えられる。表５に、構成元素および置換元素、イオン半径とイオン半径の比、これに基づいて予測される可能な置換サイトを示す。
【００６７】
【表５】
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【００６８】
２種の置換元素を用いた時の置換サイトの組み合わせとしては、Ｓｉ＋Ｓｉサイト、Ｓｉ＋Ａｌサイト、Ｓｉ＋Ｍｇサイト、Ａｌ＋Ａｌサイト、Ａｌ＋Ｍｇサイト、Ｍｇ＋Ｍｇサイトが存在する。実際は、この中で、価数、イオン半径等が最も類似しているサイトに、置換元素が置換されるものと考えられる。これを精度よく予測するために、シミュレーションを用いて、最も入りやすいサイトを予測することができる。シミュレーションは、例えば、密度汎関数法を用い、置換サイトを変化させた結晶の構造最適化を実施して、その時のトータルエネルギーを比較し、固溶の可能性を判断する。また、最適化した構造を用いて触媒との結合強度を予測することができる。密度汎関数法は、多電子間の相関効果を取り入れたハミルトニアンを導入して、結晶の電子状態を予測する方法で、その原理は、系の基底状態の全エネルギーを電子密度の汎関数で表すことができるという数学的定理に基づいており、酸化物等からなる担体表面と触媒成分との界面における電子状態を予測するのに適している。
【００６９】
図１２（ａ）は、置換元素としてＷとＴｉを用いた場合の、Ｔｉの固溶サイトの違いによる結晶エネルギーの変化を、Ｗのみ（Ｓｉ、ＡｌおよびＭｇサイト）の場合と比較して示したものである。密度汎関数法によるシミュレーションは、図１２（ｂ）に示すモデルについて、以下の解析ソフト・ハード条件で行った。
プリ／ポスト  ：Ｃｅｒｉｕｓ２
ソルバ    ：ＣＡＳＴＥＰ
Ｗ／Ｓ    ：ＳＧＩ  Ｏｃｔａｎｅ２
ＣＰＵ時間    ：約７０，０００ｓ
【００７０】
また、触媒貴金属（Ｐｔ）と置換元素との結合強度を予測した結果は、表６の通りである。以上より、ＷはＳｉおよびＡｌサイトに置換されやすく、Ｔｉなどの他の金属元素はＡｌあるいはＳｉサイトに置換されやすいという結果が得られた。
【００７１】
【表６】
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【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は触媒平均粒径と５０％浄化性能の関係を示す図、（ｂ）は触媒担持量と５０％浄化性能の関係を示す図である。
【図２】置換元素の固溶割合と貴金属触媒粒径の関係を示す図である。
【図３】昇温速度と格子定数の関係を示す図で、（ａ）はａ軸の、（ｂ）はｃ軸の格子定数である。
【図４】昇温速度と異相量の関係を示す図で、（ａ）はＷＯ3 量、（ｂ）はＭｇＷＯ4 量である。
【図５】本発明のセラミック体に触媒成分を担持した状態を模式的に示す触媒体表面の部分拡大図である。
【図６】本発明を適用した自動車用排ガス浄化触媒の全体構成を示す図である。
【図７】（ａ）〜（e）は本発明のセラミック体に助触媒成分を部分担持する場合の担持領域の例を示す図である。
【図８】（ａ）は助触媒成分を部分担持する場合の端面からの距離と浄化性能の関係を示す図、（ｂ）は中心からの距離と浄化性能の関係を示す図、（ｃ）は助触媒担持量と浄化性能の関係を示す図である。
【図９】（ａ）は助触媒担持領域における担持量を一定とした例、（ｂ）は助触媒担持領域における担持量を段階的に変化させた例を示す図である。
【図１０】（ａ）はセラミック体に触媒成分を担持した時の、置換元素の結合エネルギー変化を示す図、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図である。
【図１１】置換元素による触媒成分との化学結合力を、置換のない場合と比較して示す図である。
【図１２】（ａ）は置換元素の固溶サイトと結晶エネルギーの関係を示す図、（ｂ）は密度汎関数法によるシミュレーションのモデル図である。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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