(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミナ結晶粉末が凝集してなり且つその細孔分布において細孔容積が最も大きいメゾポア径が５ｎｍ以上１０ｎｍ以下である２次凝集粒子に触媒金属として貴金属が担持されていることを特徴とする排気ガス浄化用触媒。
【請求項２】
アルミナ結晶粉末を大気圧において８００℃以上１０００℃以下の温度に１時間以上保持する加熱処理を行なうことによって該アルミナ結晶粉末を凝集させて２次凝集粒子を形成し、
上記２次凝集粒子に貴金属を触媒金属として担持させることを特徴とする排気ガス浄化用触媒の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は排気ガス浄化用触媒に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関、特に自動車の内燃機関の排気ガスを浄化するための触媒として、アルミナに貴金属（Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ等）を担持させてなる三元触媒が知られている。また、この三元触媒を触媒担体にコーティングし、該触媒層の上に８００〜１０００℃×１〜５時間の加熱処理を施したＣｅＯ2 とアルミナとの混合物をコーティングしたものも知られている（特開昭６２−７１５４１号公報参照）。上記ＣｅＯ2 はＯ2 ストレージ効果を有し、触媒性能の向上のために使用されている。また、上記ＣｅＯ2 は高温に加熱されるとシンタリングを起こして劣化するために予め上記加熱処理が施されているものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記三元触媒は、理論空燃比付近では排気ガス中のＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）及びＮＯｘ（窒素酸化物）を効率良く浄化するものの、酸素過剰雰囲気（リーン）になるとＮＯｘ浄化率が大きく低下する。これに対して、ゼオライトに貴金属その他の遷移金属を担持させてなるＮＯｘ用触媒が開発されており、このものでは上記酸素過剰雰囲気でもＮＯｘを浄化することができる。しかし、ゼオライトは上記アルミナに比べて一般に高価であるとともに、耐熱性が低く、高温になると急激に構造破壊を起こし所期の機能を発揮しなくなる。
【０００４】
【課題を解決するための手段及び作用】
本発明者は、上記アルミナを酸素過剰雰囲気でのＮＯｘの浄化に利用すべく種々の実験・検討を行なったところ、アルミナに所定の加熱処理を行なうと、高いＮＯｘ浄化率を示すことを見出だし、本発明を完成するに至ったものである。以下、各請求項に係る発明について具体的に説明する。
【０００５】
＜請求項１に係る発明＞
この発明は、アルミナ結晶粉末が凝集してなり且つその細孔分布において細孔容積が最も大きいメゾポア径が５ｎｍ以上１０ｎｍ以下である２次凝集粒子に触媒金属として貴金属が担持されていることを特徴とする排気ガス浄化用触媒である。
【０００６】
当該発明においては、アルミナ結晶粉末に貴金属を担持させた場合に比べて酸素過剰雰囲気でのＮＯｘ浄化率が高くなる。その理由としては次のことが考えられる。
【０００７】
すなわち、上記アルミナ結晶粉末の２次凝集粒子には、結晶粒子同士が結合した部分が凹部ないしはポケットになって、メゾポアが形成されている。このメゾポア部位は表面電位が高くなっており、このため、該部位には上記貴金属が担持され易くなる。また、このメゾポアは排気ガス中のＮＯｘや該ＮＯｘの分解の際の還元剤となるＨＣが取り込まれ易い部位でもある。
【０００８】
また、上記２次凝集粒子のメゾポアは、上述の如く貴金属の担持や、ＮＯｘないしはＨＣの取り込みに重要な役割を果たす部位であるが、このメゾポア径が５ｎｍ未満になると、ＮＯｘないしはＨＣの取り込みに不利になり、１０ｎｍを越える大きなものになると、表面電位がそれほど高くならずＮＯｘないしはＨＣの選択的な取り込みに不利になるとともに貴金属の担持にも不利になる。より好ましいメゾポア径は６ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。
【０００９】
そして、このようなメゾポアに貴金属が担持されているから、該貴金属の触媒作用によって排気ガス中のＨＣの酸化分解と、それに伴うＮＯｘの還元分解とが効率良く進行するものと考えられる。
【００１０】
そうして、上記アルミナ結晶粒子はゼオセイトに比べて熱的に安定であり、このため、高温の排気ガスに長時間さらされてもＮＯｘ浄化性能が低下することは少ない。
【００１１】
上記アルミナ２次凝集粒子の比表面積は１００ｍ2 ／ｇ以上（例えば１００ｍ2／ｇ以上３５０ｍ2／ｇ以下）が好適である。比表面積が大きい方が貴金属の担持、ガスの吸着に有利になるからである。また、上記貴金属としては、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｉｒなど適宜のものを採用することができ、１種類の貴金属を担持させても、２種類以上の貴金属を組み合わせて担持させてもよい。
【００１２】
＜請求項２に係る発明＞
この発明は、上記請求項１に記載の排気ガス浄化用触媒を製造する方法であって、
アルミナ結晶粉末を大気圧において８００℃以上１０００℃以下の温度に１時間以上保持する加熱処理を行なうことによって該アルミナ結晶粉末を凝集させて２次凝集粒子を形成し、
上記２次凝集粒子に貴金属を触媒金属として担持させることを特徴とする。
【００１３】
当該発明においては、アルミナ結晶粉末の２次凝集粒子を形成した後、これに貴金属を担持させるから、該貴金属が２次凝集粒子のメゾポア部位に担持され易くなる。
【００１４】
上記加熱処理を大気圧下で行なうことは該加熱処理のための設備を簡易なものにする上で有利になるが、その場合の加熱温度が８００℃未満であれば、加熱時間を長くしてもアルミナ結晶粉末の凝集が進みにくく、メゾポア径が例えば上記請求項１の発明のような狙いとする大きさになるまで２次凝集粒子を成長させることが難しくなる。一方、上記加熱温度が１０００℃を越える高温になると、アルミナ結晶粉末の凝集が進み過ぎ易く所期のメゾポアを得ることが難しくなる。
【００１５】
上記加熱時間が短すぎる場合にはアルミナ結晶粉末の凝集が充分に進まないため、該加熱時間は１時間以上とすることが望ましいが、加熱が長時間に及ぶことは加熱温度が高い場合は別としてそれほど問題にならない。
【００１６】
また、不純物の混入を避けるために不活性雰囲気で上記加熱を行なうこともできるが、窒素ガス雰囲気では窒化アルミニウムができ易くなるため、例えばアルゴンガスなど他のガスを用いることが好適である。
【００１７】
また、上記アルミナ結晶粉末の凝集には、アルミナの蒸発−凝縮という過程が寄与するが、Ｍｇ、Ｙ、Ｆｅ、Ｔｉ等をごく微量含ませておくと、アルミナの融点が下がり、２次凝集粒子の形成に有利になる。
【００１８】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、アルミナ結晶粉末が凝集してなる２次凝集粒子に触媒金属として貴金属を担持させたから、触媒の耐熱性を高めながら、酸素過剰雰囲気でのＮＯｘ浄化率を高いものにすることができ、しかもコスト的に有利になる。特に、上記２次凝集粒子の細孔分布において細孔容積が最も大きいメゾポア径を５ｎｍ以上１０ｎｍ以下にしたから、貴金属の担持や、ＮＯｘないしはＨＣの取り込みに有利になり、ＮＯｘ浄化率を高めることができる。
【００１９】
請求項２に係る発明によれば、アルミナ結晶粉末に大気圧において８００℃以上１０００℃以下の温度に１時間以上加熱保持する加熱処理を行なうことによって該アルミナ結晶粉末を凝集させて２次凝集粒子を形成し、該２次凝集粒子に貴金属を触媒金属として担持させるようにしたから、簡易な加熱設備で所期のメゾポア径を有するアルミナ２次凝集粒子を得て、貴金属を２次凝集粒子のメゾポア部位に担持させることができ、上記請求項１の発明の排気ガス浄化用触媒を製造することができる。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。
【００２１】
＜触媒の調製＞
−アルミナ結晶粉末の製造−
この製造にはゾルゲル法を採用した。すなわち、所定量のアルミニウムアルコキシドＡｌ（ＯＲ）3 をジメチルプロパノール（エタノールその他のアルコールでもよい）に溶解し、８０℃以上１５０℃以下の所定温度に加熱した後、これに所定量のイオン交換水を加えることによってアルミニウムの水酸化物を生成し、この水酸化物を５００℃で焼成することによってアルミナ結晶粉末を得た。反応式は以下の通りである。
【００２２】
Ａｌ（ＯＲ）3 ＋Ｈ2 Ｏ→ＡｌＯ（ＯＨ）＋３ＲＯＨ
ＡｌＯ（ＯＨ）＋Ｈ2 Ｏ→Ａｌ（ＯＨ）3
２Ａｌ（ＯＨ）3 →Ａｌ2 Ｏ3 ＋３Ｈ2 Ｏ
【００２３】
なお、他の方法によって化学的にＡｌ（ＯＨ）3 を合成し、これを焼成するようにしてもよい。
【００２４】
−アルミナ結晶粉末の凝集−
上記アルミナ結晶粉末に９００℃で５０時間の加熱処理を行なうことにより、アルミナ２次凝集粒子を得た。この２次凝集粒子の比表面積は１００ｍ2 ／ｇ以上であり、また、細孔分布を調べたところ、メゾポア径が５ｎｍ以上１０ｎｍ以下のものの細孔容積が最も大きかった。
【００２５】
−貴金属の担持−
上記アルミナ２次凝集粒子をコージェライト製のハニカム状モノリス担体（４００セル／inch2 ）にウォッシュコートし乾燥及び焼成を行なった後、このモノリス担体を塩化白金酸・塩化ロジウム混合水溶液に浸漬し、引き上げて乾燥及び焼成を行なうことにより、求めるハニカム触媒を得た。ここに、Ｐｔ及びＲｈの担持量の合計は担体１リットル当たり４．５ｇとし、このＰｔ及びＲｈの担持量の重量比率は７５：１とした。
【００２６】
得られた触媒のアルミナ２次凝集粒子は図１にモデル的に示されている。すなわち、同図において、１はアルミナ２次凝集粒子であり、数個のアルミナ結晶粒子２が凝集結合し、メゾポア３の部位に貴金属４が担持されている。
【００２７】
＜触媒の評価＞
上記触媒の評価は、上記触媒調製方法によって調製した実施例のハニカム触媒と、上述の凝集処理（加熱処理）を行なっていないアルミナ結晶粉末を用いた比較例のハニカム触媒とのＮＯｘ浄化性能を比較することによって行なった。比較例の触媒についても、上記貴金属の担持処理については実施例と同様の条件及び方法によって行なった。
【００２８】
ＮＯｘ浄化性能の比較試験は、上記実施例及び比較例の各触媒を模擬ガス流通装置に組み込み、模擬ガスを触媒に流しながら該ガス温度を常温から３５０℃まで上昇させた後、該温度から常温まで降温させていき、該降温時のＮＯｘ浄化率を各温度で測定する、というものである。模擬ガスの組成及び空間速度は次の通りである。
【００２９】
−模擬ガスの組成−
ＨＣ；４０００ｐｐｍ，ＮＯｘ；２５０ｐｐｍ，ＣＯ；０．１５％，
Ｏ2 ；７．５％，Ｈ2 ；６５０ｐｐｍ，Ｎ2 バランス
−空間速度−
ＳＶ＝５５０００ｈ-1
【００３０】
結果は図２に示されている。同図によれば、実施例の触媒では比較例の触媒よりもＮＯｘ浄化率が高くなっており、アルミナ結晶粉末を凝集させてから貴金属を担持させることがＮＯｘ浄化率を高めることに有効であることがわかる。
【００３１】
図３は上記実施例の触媒及び比較例の触媒について、それぞれエージング処理（８５０℃×５０時間）を行なった後に、先の場合と同様の条件及び方法でＮＯｘ浄化性能を調べた結果である。
【００３２】
同図によれば、触媒にエージング処理を施した場合でも、実施例のようにアルミナ結晶粉末を凝集させてから貴金属を担持させることがＮＯｘ浄化率を高めることに有効であることがわかる。
【００３３】
＜メゾポア径とＮＯｘ浄化率との関係＞
そこで、上記アルミナ２次凝集粒子のメゾポア径として最適な範囲を策定するために、上記アルミナ結晶粉末を種々の温度で加熱処理し、その細孔分布において最も大きい細孔容積を示すメゾポア径が互いに異なる数種類のアルミナ２次凝集粒子を製造した。そして、これらを用いて先に説明した貴金属担持処理によって貴金属を担持させてなるハニカム触媒を調製した。これらのハニカム触媒のＰｔ及びＲｈ担持量の合計は４．５ｇ／Ｌであり、Ｐｔ担持量とＲｈ担持量との重量比率は７５：１である。
【００３４】
そうして、これらメゾポア径の異なる各ハニカム触媒の最大ＮＯｘ浄化率を調べたところ、図４に示す結果が得られた。使用した模擬ガスは次の通りであり、空間速度は５５０００ｈ-1である。
【００３５】
ＨＣ；４０００ｐｐｍＣ，ＮＯｘ；２５０ｐｐｍ，Ｏ2 ；７．５％
【００３６】
図４によれば、メゾポア径が５ｎｍ以上１０ｎｍ以下のときにＮＯｘ浄化率が高くなること、特に６ｎｍ以上１０ｎｍ以下が好ましいことがわかる。
【００３７】
＜アルミナ結晶粉末の凝集処理温度と細孔容積との関係について＞
上記アルミナ結晶粉末の加熱温度と細孔容積との関係について調べた。当該加熱は大気中で行ない、加熱時間は５０時間とした。その結果、当該アルミナの全細孔容積については図５に、細孔径５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の細孔容積については図６に、細孔径５ｎｍ以下の細孔容積については図７にそれぞれ示す通りになった。
【００３８】
図５によれば、全細孔容積は、加熱温度を高めていくと９００℃までは増えていき、それよりも加熱温度が高くなると逆に減少している。全細孔容積の増大はアルミナ結晶粉末の凝集によるメゾポアの形成によるものであり、全細孔容積の減少はアルミナ結晶粉末の凝集が進み過ぎた結果と考えられる。
【００３９】
図６によれば、細孔径５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の細孔容積は、加熱温度７００℃においてフレッシュ（加熱処理なし）のものよりも大きくなっており、また、１１００℃においては未処理のものよりも小さくなっている。また、図７によれば、加熱温度が高くなるにつれて５ｎｍ以下の細孔がへっているが、これはアルミナ結晶粉末が凝集していった結果である。
【００４０】
以上の図５〜図７に示される結果から、径が５ｎｍ以上１０ｎｍ以下のメゾポアを多く有するアルミナ２次凝集粒子を製造するには、アルミナ結晶粉末の加熱温度を８００℃以上１０００℃以下にすればよいことがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  アルミナ２次凝集粒子を示す図
【図２】  実施例と比較例の触媒のＮＯｘ浄化特性を比較したグラフ図
【図３】  実施例と比較例の触媒についてエージング後のＮＯｘ浄化特性を比較したグラフ図
【図４】  アルミナ２次凝集粒子のメゾポア径と最大ＮＯｘ浄化率との関係を示すグラフ図
【図５】  アルミナ結晶粉末の加熱温度と全細孔容積との関係を示すグラフ図
【図６】  アルミナ結晶粉末の加熱温度と径５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の細孔容積との関係を示すグラフ図
【図７】  アルミナ結晶粉末の加熱温度と径５ｎｍ以下の細孔容積との関係を示すグラフ図
【符号の説明】
１  アルミナ２次凝集粒子
２  アルミナ結晶粒子
３  メゾポア
４  貴金属
【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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