内燃機関用排気ガス浄化システム
【課題】製造コストや環境負荷を大きくすることなく、遷移金属による貴金属粒子の活性向上効果を維持する。
【解決手段】本発明の内燃機関用排気ガス浄化システムは、内燃機関の排気系に装着された排気ガス浄化用触媒を備える。当該排気ガス浄化用触媒は、触媒粉末と、触媒粉末を保持するハニカム担体とを備える。そして触媒粉末は、触媒活性を有する貴金属粒子と、貴金属粒子と接触して貴金属粒子の移動を抑制する化合物としてのアンカー材と、貴金属粒子とアンカー材との複合粒子の単体又は集合体を内包する化合物としての包接材と、からなるユニットを複数有する。包接材は、アンカー材が包接材により隔てられた区画を超えて他のユニットのアンカー材と接触するのを抑制する。また、貴金属粒子及びアンカー材からなる複合粒子のサイズＤａと、前記包接材の平均細孔径Ｄｂとが、Ｄｂ＜Ｄａである。
【解決手段】本発明の内燃機関用排気ガス浄化システムは、内燃機関の排気系に装着された排気ガス浄化用触媒を備える。当該排気ガス浄化用触媒は、触媒粉末と、触媒粉末を保持するハニカム担体とを備える。そして触媒粉末は、触媒活性を有する貴金属粒子と、貴金属粒子と接触して貴金属粒子の移動を抑制する化合物としてのアンカー材と、貴金属粒子とアンカー材との複合粒子の単体又は集合体を内包する化合物としての包接材と、からなるユニットを複数有する。包接材は、アンカー材が包接材により隔てられた区画を超えて他のユニットのアンカー材と接触するのを抑制する。また、貴金属粒子及びアンカー材からなる複合粒子のサイズＤａと、前記包接材の平均細孔径Ｄｂとが、Ｄｂ＜Ｄａである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関から排出される排気ガスを浄化する処理に適用して好適な排気ガス浄化用触媒を備えた内燃機関用排気ガス浄化システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、内燃機関から排出される排気ガス中に含まれる炭化水素系化合物（ＨＣ），一酸化炭素（ＣＯ），窒素酸化物（ＮＯｘ）等の有害物質を除去するために、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等の金属酸化物担体に白金（Ｐｔ）等の貴金属粒子を担持した排気ガス浄化用触媒が広く利用されるようになっている。従来の排気ガス浄化用触媒では、周囲の雰囲気変動に対する貴金属粒子の耐久性を向上させるために、貴金属粒子が多量に用いられている。しかしながら、貴金属粒子を多量に用いることは地球資源保護の観点から見ると望ましくない。
【０００３】
このような背景から、最近では、含浸法によってＯＳＣ（Oxygen Storage Component：酸素吸蔵物質）材として機能するセリウム（Ｃｅ）やマンガン（Ｍｎ）等の遷移金属又は遷移金属化合物を貴金属粒子近傍に配置し、貴金属粒子周囲の雰囲気変動を遷移金属又は遷移金属化合物によって抑制することにより、貴金属粒子の耐久性を向上させる試みがなされている（特許文献１〜４参照）。なお、このような方法によれば、貴金属粒子の耐久性向上に加えて、貴金属粒子の活性向上も期待することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−１３１８３０号公報
【特許文献２】特開２００５−０００８２９号公報
【特許文献３】特開２００５−０００８３０号公報
【特許文献４】特開２００３−１１７３９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
貴金属粒子周囲の雰囲気変動を遷移金属の化合物によって抑制する場合には、貴金属粒子と遷移金属の化合物粒子の双方が微粒子であり、且つ、互いに接触している必要性がある。しかしながら、含浸法を用いた場合には、貴金属粒子と遷移金属の化合物粒子とを接触させることができても双方が微粒子にならない、若しくは、双方が微粒子になっても接触させることができない又は接触させることができる量が少ないために、貴金属粒子近傍に遷移金属の化合物粒子を設計通りに配置させることは難しい。また、貴金属粒子の耐久性向上を図る場合、貴金属粒子の平均粒子径は２［ｎｍ］以上、貴金属粒子の活性向上を図る場合には、貴金属粒子の平均粒子径は５［ｎｍ］以下とすることが望ましい。しかしながら、含浸法を用いた場合には、貴金属粒子の平均粒子径は１．５［ｎｍ］以下になるために、貴金属粒子の耐久性向上や活性向上を期待することは難しい。
【０００６】
また、遷移金属の化合物は金属酸化物担体として広く利用されているアルミナと固溶しやすいために、遷移金属の化合物を貴金属粒子近傍に単に配置しただけでは貴金属粒子の活性向上効果は得られにくい。なお、このような問題を解決するために、遷移金属の化合物と固溶しない担体上に遷移金属の化合物を担持する方法が考えられてはいるが、この方法を用いた場合には、高温雰囲気下において遷移金属の化合物が移動し、遷移金属の化合物同士が接触することによって遷移金属の化合物が凝集してしまう。また、遷移金属の化合物の凝集を防止するために、逆ミセル法を利用して表面積が大きい遷移金属の化合物粒子を製造する方法も考えられるが、この方法では有機溶媒を使用するために製造コストや環境負荷が大きい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明に係る内燃機関用排気ガス浄化システムは、内燃機関の排気系に装着された排気ガス浄化用触媒を備える。排気ガス浄化用触媒は、触媒粉末とハニカム担体とを備える。触媒粉末は、触媒活性を有する貴金属粒子と、貴金属粒子と接触して貴金属粒子の移動を抑制する化合物としてのアンカー材と、貴金属粒子とアンカー材との複合粒子の単体又は集合体を内包する化合物としての包接材と、からなるユニットを複数有する。包接材は、アンカー材が包接材により隔てられた区画を超えて他のユニットのアンカー材と接触するのを抑制し、貴金属粒子及びアンカー材からなる複合粒子のサイズＤａと、前記包接材の平均細孔径Ｄｂとが、Ｄｂ＜Ｄａである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の内燃機関用排気ガス浄化システムに備えられる排気ガス浄化用触媒によれば、貴金属粒子とアンカー材との複合粒子を包接材で覆い内包することにより、貴金属粒子の移動を抑制すると共に、アンカー材同士の凝集も抑制するので、製造コストや環境負荷を大きくすることなく、アンカー材による貴金属粒子の活性向上効果を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態となる排気ガス浄化用触媒中の触媒粉末の構成を示す模式図である。
【図２】本発明の別の実施形態となる排気ガス浄化用触媒中の触媒粉末の構成を示す模式図である。
【図３】一つのユニットにおける貴金属粒子２の凝集前後の一例を示す模式図である。
【図４】貴金属粒子径と貴金属表面積との関係を示すグラフである。
【図５】貴金属粒子径と貴金属の原子数との関係を示すグラフである。
【図６】本発明の実施形態となる排気ガス浄化用触媒中の触媒粉末の構成を示す模式図である。
【図７】ＣｅＯ２の結晶成長比及びＰｔの表面積に対する複合粒子のサイズＤａと平均細孔径Ｄｂの比Ｄａ／Ｄｂの関係を示すグラフである。
【図８】本発明の実施形態となる排気ガス浄化用触媒中の触媒粉末の製造方法の説明図である。
【図９】本発明の製造方法における第１の工程の一例の説明図である。
【図１０】本発明の製造方法における第１の工程の別の例の説明図である。
【図１１】本発明の製造方法における第２の工程の別の例の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の内燃機関用排気ガス浄化システムの実施形態について、図面を用いつつ説明する。
【００１１】
図１は、本発明の一実施形態となる排気ガス浄化用触媒中の触媒粉末の模式図である。同図に示す触媒粉末１は、触媒活性を有する貴金属粒子２と、この貴金属粒子２と接触し、当該貴金属粒子２の移動を抑制する、アンカー材たる第１の化合物３と、この貴金属粒子２と第１の化合物３とを内包し、当該貴金属粒子２の移動を抑制すると共に第１の化合物３同士の接触に伴う第１の化合物３の凝集を抑制する、包接材たる第２の化合物４とからなる。この第１の化合物３は、貴金属粒子２を担持している。また、貴金属粒子２を担持した第１の化合物３の複数個の集合体が、第２の化合物４により隔てられた区画内に含まれている。
【００１２】
本願発明の発明者らは、精力的な研究を重ねてきた結果、貴金属粒子に遷移金属の化合物を化学的に結合することにより貴金属粒子の移動を化学的に抑制することができると共に、貴金属粒子を化合物で覆うことによって貴金属粒子の移動を物理的に抑制することができることを知見した。さらに、発明者らは、貴金属粒子と遷移金属の化合物の双方を化合物で覆うことによって貴金属粒子の移動抑制はもちろん、遷移金属の化合物の凝集も抑制することができることを知見した。
【００１３】
この知見に基づいて構成された図１に示す触媒粉末１は、貴金属粒子２と、第１の化合物３とが接触して、担持することにより第１の化合物３が化学的結合のアンカー材として作用し、貴金属粒子の移動を抑制する。また、この貴金属粒子２を第１の化合物３とを第２の化合物４で覆い、内包する形態とすることにより、貴金属粒子２の移動を物理的に抑制する。更に、この第２の化合物４により隔てられた区画内に貴金属粒子２と第１の化合物３とを含むことにより、この第２の化合物４により隔てられた区画を越えて第１の化合物３が接触し凝集することを抑制する。これらのことから、触媒粉末１は、製造コストや環境負荷を大きくすることなく、貴金属粒子２の凝集による触媒活性低下を防止することができ、また、第１の化合物３による貴金属粒子２の活性向上効果を維持することができる。
【００１４】
図２は、本発明の別の実施形態となる排気ガス浄化用触媒中の触媒粉末の模式図である。同図に示す触媒粉末１は、貴金属粒子２と、この貴金属粒子２を担持する第１の化合物３と、貴金属粒子２及び第１の化合物３を内包する第２の化合物４とからなる点は図１に示した触媒粉末１と同一である。そして第２の化合物４により隔てられた区画内に、貴金属粒子２と第１の化合物３とが種々の態様で含まれている。
【００１５】
図２において、第２の化合物４により隔てられた複数の区画のうち、ユニットＵ１では、単体の貴金属粒子２を担持した単体の第１の化合物３が含まれている。またユニットＵ２では、複数の貴金属粒子２を担持している複数個の第１の化合物３が、凝集した集合体（二次粒子）で含まれている。またユニットＵ３〜Ｕ６では、複数の貴金属粒子２を担持している単体の第１の化合物３が、種々の粒径で含まれている。
【００１６】
図２に示す本実施形態の触媒粉末は、図１に示した触媒粉末１と同様に、第２の化合物４により隔てられた区画を越えて第１の化合物３が接触し凝集することが抑制される。したがって、図１に示した触媒粉末１と同様の効果を有している。
【００１７】
この第２の化合物４により隔てられた区画内には、貴金属粒子を合計で８×１０−２０モル以下の量で含有することが好ましい。図２に示したように、第２の化合物４により隔てられた区画内に含まれる貴金属粒子２と第１の化合物３とは、種々の態様がある。これらの区画内で複数個の貴金属粒子２が移動して、互いに凝集する場合がある。この場合に、貴金属粒子２は、ユニットＵ１〜Ｕ６のいずれでも、アンカー材としての第１の化合物３の効果によって第２の化合物４には移動せず、ユニット内でのみ一つ又は複数個の貴金属粒に凝集する。一つのユニットにおける貴金属粒子２の凝集前後の一例を模式的に図３（ａ）及び、（ｂ）に示す。
【００１８】
ここに、一つのユニット内で貴金属粒が凝集した場合に、凝集した貴金属粒の粒径が１０［ｎｍ］以下であれば、充分な触媒活性を示し、凝集による触媒活性の劣化を抑制することができる。図４は、触媒活性を有する貴金属としての白金やパラジウムについて、貴金属粒子径と貴金属表面積との関係を示すグラフである。なお、同図では貴金属が白金の場合とパラジウムの場合と、ほぼ同じ曲線を示すので、一つの曲線として示している。同図から明らかなように、貴金属の粒子径が１０［ｎｍ］以下であれば粒子表面積が大きく、十分な活性が得られるので、凝集による触媒活性の劣化を抑制することができる。
【００１９】
図５は、触媒活性を有する貴金属としての白金やパラジウムについて、貴金属粒子径と貴金属の原子数との関係を示すグラフである。なお、同図では貴金属が白金の場合とパラジウムの場合と、ほぼ同じ曲線を示すので、一つの曲線として示している。同図から明らかなように、貴金属の粒子径が１０［ｎｍ］であるときの原子数は約４８０００個であり、この値をモル数に換算すると約８×１０−２０モル以下の量になる。
【００２０】
これらの観点から、ユニットＵ１〜Ｕ６のいずれの態様であっても、ユニット内の貴金属量を制限し、８×１０−２０モル以下の量とすることで、ユニット内で1個に凝集しても、触媒活性の劣化を抑制することができる。
【００２１】
ユニット内に含まれる貴金属量を８×１０−２０モル以下に低減する手段としては、第１の化合物３の貴金属粒子２の担持濃度を下げること、又は貴金属粒子２を担持した第１の化合物３の粒径を小さくすることの、２つの手段が存在する。本発明では、これらの手段に限定しないが、実際の触媒製造を考えた場合には、前者の担持濃度を下げる方法では、所定の排気ガス浄化触媒の性能を維持するためには触媒粉末をコートしたハニカム担体の容積を増やさなければならず、したがって、触媒のコート量が通常の一桁多いようなコート量をハニカム担体へコートする必要があるため、現実的ではない。
【００２２】
第１の化合物３の粒径に関して、最大粒径は、２［μｍ］とすることが好ましい。第１の化合物３は、貴金属粒子２と接触して貴金属粒子２の移動を抑制するアンカー材としての機能を有している。このアンカー材のアンカー効果は、第１の化合物３自身の大きさに影響を受けることを発明者らは見出した。従来の触媒粉末のように、単に粉末状の第１の化合物、例えばセリアなどに貴金属を含浸担持し、アルミナ中に分散させても上記の充分な貴金属凝集抑制効果を発揮することが難しい。例えば、従来のボールミルなどによる粉砕製法で第１の化合物３の粒子を得る場合には，最小でも２〜３［μm］の粒径までしか得られない。このような粒径の第１の化合物３粒子に貴金属粒子２を担持させる場合に、実際のコージェライトハニカム担体へのコート量上限及び使用貴金属量から定められる量で貴金属粒子２を第１の化合物３粒子に担持させると、高温、長時間での使用により、貴金属粒子２が数十［ｎｍ］にまで凝集し、触媒活性が劣化してしまう。したがって、実際の触媒に適用する際には、第２の化合物４により隔てられた区画内に含まれる第１の化合物３が、最大粒子径が２［μｍ］以下の粒子径であることが好ましい。
【００２３】
第１の化合物３の粒子を各種の製法で製造したときに、得られた第１の化合物３の粒子径にはばらつきがあり、製造条件に応じた所定の粒度分布を有している。そのため、第１の化合物３の粒子径は、平均粒子径で表されることがある。本発明の実施形態に係る排気ガス浄化用触媒において、第２の化合物４により隔てられた区画内に含まれる第１の化合物３の好ましい平均粒子径は、５０［ｎｍ］以下である。第１の化合物３の平均粒子径が５０［ｎｍ］を超える場合には、アンカー材である第１の化合物に担持される貴金属粒子２の量が増え、貴金属粒子２間の距離が短くなって、貴金属粒子２の凝集が促進される。
【００２４】
第１の化合物３の、より好ましい平均粒子径は、３０［ｎｍ］以下である。図６は、第２の化合物４により隔てられた区画内に第１の化合物３を単体で含む触媒粉末の模式図である。
【００２５】
上記触媒粉末１は、図６に示した実施形態においては、貴金属粒子（ＰＭ）２と、貴金属粒子２と接触し、貴金属粒子２の移動を抑制する第１の化合物（アンカー材）３と、貴金属粒子２と第１の化合物（アンカー材）３を内包し、貴金属粒子２の移動を抑制すると共に、第１の化合物（アンカー材）３同士の接触に伴う第１の化合物（アンカー材）３の凝集を抑制する第２の化合物４と、助触媒成分として含まれている遷移金属化合物５からなり、第１の化合物（アンカー材）３の平均粒子径は３０［ｎｍ］以下に調製されている。
【００２６】
すなわち、図６に示した触媒粉末１は、貴金属粒子２と第１の化合物（アンカー材）３を第２の化合物４で覆うことにより、貴金属粒子２の移動と同時に第１の化合物（アンカー材）３同士の凝集も抑制する。従って、上記触媒粉末１によれば、製造コストや環境負荷を大きくすることなく、第１の化合物（アンカー材）３による貴金属粒子２の活性向上効果を維持することができる。
【００２７】
そして、第１の化合物３の平均粒子径が３０［ｎｍ］以下であることにより、本実施形態の触媒粉末１は、貴金属粒子２の凝集をいっそう抑制することができる。第１の化合物３の平均粒子径の最適範囲は、５〜１５［ｎｍ］程度である。第１の化合物３の平均粒子径の下限は、特に限定するものではないが、分析機器（例えばＸＲＤ）によって第１の化合物３の結晶構造が同定できる大きさとして５［ｎｍ］以上とすることができる。
【００２８】
図１、図２又は図６に示した触媒粉末において、貴金属粒子２の第１の化合物３への吸着エネルギーがEaであり、貴金属粒子２の第２の化合物４への吸着安定化エネルギーがEbであるとき、EaがEbよりも小さい値であること（Ea＜Eb）が好ましい。発明者らは、第１の化合物３の機能としてのアンカー効果が、吸着エネルギーの差に影響を受けることを発明者らは見出した。すなわち、貴金属粒子２の第１の化合物３への吸着エネルギーEaが、貴金属粒子２の第２の化合物４への吸着安定化エネルギーEbよりも小さいことにより、貴金属粒子２が、第２の化合物４に移動するのを抑制することができ、これにより、貴金属粒子２が凝集するのをいっそう抑制することができる。
【００２９】
より好ましくは、貴金属粒子２の第１の化合物３への吸着エネルギーEaと、貴金属粒子２の第２の化合物４への吸着安定化エネルギーEbとの差（Eb−Ea）が、10.0cal/molを超えることである。この吸着エネルギー差が10.0cal/molを超えることにより、貴金属粒子２が、第２の化合物４に移動するのをより確実に抑制することができ、第１の化合物３の機能としてのアンカー効果が、更に発揮される。
【００３０】
なお、貴金属粒子２の第１の化合物３への吸着安定化エネルギーEaや、貴金属粒子２の第２の化合物４への吸着安定化エネルギーEbは、いずれも密度汎関数法を用いたシミュレーションにより算出することができる。この密度汎関数法は、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ある。その原理は、系の基底状態の全エネルギーを電子密度汎関数法で表すことができるという数学的定理に基づいており、結晶の電子状態を計算する手法として信頼性が高い。本発明の触媒構造を設計するにあたり、第１の化合物３及び第２の化合物４への貴金属成分の吸着エネルギーの差を実際測定することは難しく、所望の吸着エネルギーが得られる組み合わせを予測するための手法が必要となる。ここで、密度汎関数法は、酸化物等からなる第１の化合物３や第２の化合物４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おり、実際にシミュレーション値を基に選択した貴金属と化合物の組み合わせを基に設計した、本実施形態の触媒構造は、貴金属の粗大化が生じず、高温耐久後も高い浄化性能を維持することが確認されている。このような密度汎関数法を用いたシミュレーションのための解析ソフトウェアは市販されており、解析ソフトの計算条件の一例として以下に示す。
【００３１】
プリ／ポスト：Materials studio3.2 (Accelrys社)、ソルバ：DMol3 (Accelrys社)、温度：絶対零度、近似：GGA近似。
【００３２】
次に、貴金属粒子２と、この貴金属粒子２を担持する第１の化合物３とからなる複合粒子は、その複合粒子のサイズ（複合粒子の平均粒径）Ｄａと、この複合粒子を内包する第２の化合物４に形成されている細孔の平均細孔径Ｄｂとが、次の不等式Ｄｂ＜Ｄａの関係を満たすことが好ましい。不等式Ｄｂ＜Ｄａは、貴金属粒子２と第１の化合物３とからなる複合粒子のユニットの平均粒径Ｄａが、第２の化合物４に形成されている空隙の平均径Ｄａよりも大きいことを意味している。換言すれば、複合粒子のサイズＤａと平均細孔径Ｄｂの比で表すと、Ｄａ／Ｄｂ＞１であることが好ましい。Ｄａ／Ｄｂ＞１であることにより、貴金属粒子２と第１の化合物３との複合粒子が、第２の化合物４に形成されている細孔を通して移動することが抑制される。したがって、第２の化合物による包接効果の低下が抑制される。この効果は発明者らの実験により確認されている。図７は、複合粒子のサイズＤａと平均細孔径Ｄｂの比Ｄａ／Ｄｂを横軸に、第１の化合物としてのＣｅＯ２の結晶成長比及び排気耐久試験後の貴金属粒子としてのＰｔの表面積を縦軸にして、これらの関係を示すグラフである。図７から、Ｄａ／Ｄｂが１以上である場合に、ＣｅＯ２の結晶成長比が顕著に低下し、すなわち、ＣｅＯ２の焼結が少ないので包接効果が大きく、また、耐久試験後のＰｔの表面積が大きく維持され、すなわち、Ｐｔの凝集が少ないので触媒活性の低下が少ないことが分かる。
【００３３】
次に、貴金属粒子２は｛Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ｝の中から選ばれる少なくとも１つの元素、第１の化合物（アンカー材）３はＣｅを含む酸化物がＯＳＣ能を有すると共に、貴金属粒子２（特にＰｔ）と結合を作りやすいことが知られているので、Ｃｅを含む酸化物、第２の化合物４は｛Ａｌ，Ｚｒ｝の中から選ばれる少なくとも一つの元素の酸化物であることが望ましい。また、Ｃｅを含む酸化物はＣｅＯ２又はＣｅとＺｒの複合酸化物であることが望ましい。また、触媒粉末１は、Ｐｔ−ＣｅＯ２をＡｌ２Ｏ３で被覆したもの、又はＰｔ−ＣｅＺｒＯｘをＡｌ２Ｏ３で被覆したもの、より好ましくは、Ｐｔ−ＣｅＯ２をＺｒＯ２で被覆したものであるとよい。
【００３４】
また、本願発明の発明者らは、貴金属粒子２の平均粒子径が２［ｎｍ］以下である場合、貴金属粒子２自身の移動によって貴金属粒子２のシンタリングが進み、逆に貴金属粒子２の平均粒子径が１０［ｎｍ］以上である場合には、貴金属粒子２と排気ガスの反応性が著しく低下することを知見した。従って、貴金属粒子２の平均粒子径は２［ｎｍ］以上１０［ｎｍ］以下の範囲内にあることが望ましい。
【００３５】
また、本願発明の発明者らは、第１の化合物（アンカー材）３と接触している貴金属粒子２の割合が８０［％］以下であると、第１の化合物（アンカー材）３上に存在しない貴金属粒子２が２０［％］以上になる結果、貴金属粒子２が移動することによって貴金属粒子２のシンタリングが進むことを知見した。従って、貴金属粒子２の８０［％］以上は第１の化合物（アンカー材３）に接触していることが望ましい。
【００３６】
また、図６に示すように、触媒粉末１の中に、｛Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｍｎ｝の中から選ばれる少なくとも１つの元素の遷移金属化合物（ＴＭ）５を含有させてもよい。遷移金属化合物５を形成する元素は貴金属粒子２の働きをさらに引き出す助触媒成分となるので、このような構成によれば、特に低温活性等の触媒性能を大幅に向上させることができる。
【００３７】
また、第２の化合物４の中にＬａを含有させてもよい。ＬａにはＡｌ２Ｏ３やＺｒＯ２の耐久性を向上させる効果があるので、このような構成によれば、Ａｌ２Ｏ３やＺｒＯ２の耐熱性を向上させることができる。また、上記触媒粉末１を含むスラリーを耐火性無機担体にコーティングすることにより排気ガス浄化用触媒を構成してもよい。
【００３８】
次に、本発明の排気ガス浄化用触媒中の触媒粉末の製造方法の実施形態について説明する。図８は、上記触媒粉末の製造方法の説明図である。同図の矢印より左側に図示されるように、まず、第１の化合物３に貴金属粒子２が接触した複合コロイド溶液６を調製する第１の工程を行う。次いで、同図の矢印より右側に図示されるように、この複合コロイド溶液６中の貴金属粒子２が接触した第１の化合物３の周囲に第２の化合物４を形成させる第２の工程を行う。
【００３９】
第１の工程では、複合コロイドを調製することが必要である。複合コロイドを調製することにより、複合コロイド溶液６中で当該複合コロイドが均一に分散するので、貴金属粒子２が接した第１の化合物３同士が、溶液中で凝集することを抑制することができる。
【００４０】
この第１の工程では、後述するようにあらかじめ第１の化合物３を分散用保護材料で包むこともできるし、また、分散用保護材料で包まなくてもよい。また、第１の化合物３に貴金属粒子を接触させる方法は、貴金属粒の還元処理でもよいし、また、他の方法でもよい。
【００４１】
この第１の工程の一例を、図９の説明図を用いて説明する。図８の矢印より左側に図示されるように、まず第１の化合物３を分散用保護材料７で包むことにより第１の化合物のコロイドを調製する。この分散用保護材料７には、高分子化合物を用いることができる。次に、図９の矢印より右側に図示されるように、この分散用保護材料７で包まれた第１の化合物３のコロイドに貴金属を含有する溶液を接触させることにより第１の化合物３に貴金属粒子２が接触した複合コロイドを調製する。分散用保護材料７は、たとえば高分子化合物（ポリマー）や硝酸や酢酸などである。
【００４２】
この第１の工程の別の例を、図１０の説明図を用いて説明する。図１０に示した例では、同図の矢印より左側に図示されるように、まず、第１の化合物３の表面上に貴金属粒子２を担持させる。次に、同図の矢印より右側に図示されるように、この貴金属粒子２を担持させた第１の化合物３を、分散用保護材料７で包むことにより第１の化合物３に貴金属粒子２が接触した複合コロイドを調製する。
【００４３】
第２の工程で第１の化合物３の周囲に第２の化合物４を形成させる方法は、含浸法でもよいし、また、包接法でもよい。
【００４４】
この第２の工程の一例を、図１１の説明図を用いて説明する。同図に図示されるように、まず、第１の工程を経て、分散用保護材料７で包まれた複合コロイドを含む溶液に、第２の化合物の原料を加えることにより、この複合コロイドの周囲に、第２の化合物の前駆体８を形成させる。次いで、この第２の化合物の前駆体８が形成された複合コロイド溶液の固形分を分離して、焼成することにより、第２の化合物の前駆体８を第２の化合物４にする。
【００４５】
本発明に係る排気ガス浄化用触媒中の触媒粉末の製造方法の実施形態を、より具体的に説明する。
【００４６】
上記触媒粉末１は、平均粒子径３０［ｎｍ］以下の第１の化合物（アンカー材）３をＰＶＰ（ポリビニルピロリドン）等の高分子化合物で包むことにより第１の化合物（アンカー材）３のコロイドを調製し、第１の化合物（アンカー材）３のコロイド上に平均粒子径が２［ｎｍ］以上１０［ｎｍ］以下の範囲内にある貴金属塩をエタノール等の還元剤を利用して還元析出させることにより、第１の化合物（アンカー材）３に貴金属粒子２が接触したコロイド水溶液を調製することにより製造するとよい。なお、平均粒子径３０［ｎｍ］以下の第１の化合物（アンカー材）３は、市販品を用いる、又は固相法，液相法，気相法により調製することができる。
【００４７】
また、上記触媒粉末１は、平均粒子径が３０［ｎｍ］以下の第１の化合物（アンカー材）３をＰＶＰ（ポリビニルピロリドン）等の高分子化合物で包むことにより第１の化合物（アンカー材）３のコロイドを調製し、第１の化合物（アンカー材）３のコロイド表面上に平均粒子径が２［ｎｍ］以上１０［ｎｍ］以下の範囲内にある貴金属コロイドを接触させることにより複合コロイド水溶液を調製することにより製造してもよい。
【００４８】
また、上記製造方法において、有機溶媒中にＡＩＰ（アルミニウムイソプロポキシド）やＺＩＰ（ジルコニウムイソプロポキシド）等の第２の化合物４の有機塩を分散させた後、有機溶媒中に調製されたコロイド水溶液を投入することにより有機塩を加水分解する工程を行ってもよい。このような製造方法によれば、コロイドの周囲に酸化物を配置することができる。
【００４９】
また、上記製造方法において、溶媒中に第２の化合物４の原料無機塩を分散させ、溶媒中の無機塩を酸によって解膠した後、溶媒中にコロイド水溶液を投入する工程を行っても良い。なお、第２の化合物４がＡｌの酸化物である場合、上記原料無機塩はベーマイト、Ｚｒの酸化物である場合には、硝酸Ｚｒを用いることが望ましい。このような方法によれば、無機塩は有機塩より安価であるので、より安価にコロイドの周囲に酸化物を配置させることができる。
【００５０】
次に、触媒粉末の製造方法の別の実施形態を説明する。これまで述べてきた触媒粉末の製造方法は、第１の化合物に貴金属粒子が接触した複合コロイド溶液を調製する工程を有していて、例えば、平均粒子径が３０ｎｍ以下の第１の化合物を高分子化合物で包むことにより第１の化合物のコロイドを調製した後、このコロイド上で貴金属塩を還元析出させることにより複合コロイド溶液を調製等をしている。このように複合コロイド溶液を調製する理由は、一般にナノ粒子粉体が、粉末の状態では一次粒子が凝集した二次粒子の集合体となっており、その二次粒子の集合体を液中で第２の化合物の前駆体と混合しても、凝集、分離してしまい、均一に混合することが難しいからである。つまり、二次粒子を高分子化合物で包むことにより、コロイド化し、凝集を抑制することで、第２の化合物の前駆体と混合しても凝集、分離することなく、包接材としての第２の化合物中でアンカー材としての第１の化合物が分散した触媒を得ることが可能である。
【００５１】
この高分子化合物による複合コロイドを用いることなく、第２の化合物の前駆体と混合し、焼成後にアンカー材としての第１の化合物の二次粒子が均一に分散した触媒を得ることができる本実施形態の製造方法は平均一次粒子径３０ｎｍ以下の第１の化合物粒子が凝集している集合体を、二次粒径３００ｎｍ以下まで粉砕又は分散させる工程と、この３００ｎｍ以下の第１の化合物の二次粒子に貴金属粒子を担持させる工程と、この貴金属粒子を担持した第１の化合物の粒子の周囲に第２の化合物を形成する工程とを有する。
【００５２】
本実施形態では、平均一次粒子径３０ｎｍ以下の第１の化合物粒子が凝集して、２μｍ程度の二次粒子径になっている集合体を、二次粒径３００ｎｍ以下、より具体的には１００〜３００ｎｍ程度、一例としては１２０ｎｍにまで粉砕又は分散させる。この粉砕又は分散は、湿式の粉砕機又は分散機を用いることができる。本実施形態に従い、二次粒径３００ｎｍ以下に粉砕又は分散した第１の化合物粒子は、液中で再凝集することなく、貴金属粒子を均一に担持することができる。また、高分子化合物からなる保護材を用いることがなくても、第２の化合物の前駆体と混合したときに、凝集、分離せず、焼成後はアンカー材としての第１の化合物の二次粒子が触媒中に均一に分散した触媒を得ることができる。
【００５３】
また、高分子化合物よりなる保護材を用いて複合コロイド粒子を形成する場合には、焼成時にこの高分子化合物が燃焼して、局所的に高温になることにより、貴金属粒子が凝集し易くなるおそれがある。これに対して、本実施形態の製造方法によれば、高分子化合物よりなる保護材を用いないことから、このような懸念は生じない。また、高分子化合物は高価であるこめ、このような高分子化合物よりなる保護材を用いないことは、コストの低減にも有利である。
【００５４】
平均一次粒子径３０ｎｍ以下の第１の化合物粒子が凝集している集合体を、二次粒径３００ｎｍ以下まで粉砕又は分散させる粉砕機又は分散機は、粒子を３００ｎｍ以下に粉砕又は分散可能なものであれば、任意の装置を用いることができる。具体的には、ビーズミル、高速ホモジナイザー、高圧衝突型粉砕機などである。
【００５５】
粉砕機又は分散機により、粒径３００ｎｍ以下にした第１の化合物の二次粒子に貴金属粒子を担持させる工程は、幾つかの具体的態様がある。
【００５６】
一つの具体的態様は、まず第１の化合物粒子の集合体に、平均粒子径３０ｎｍ以下の貴金属粒子を担持させ、次に、この貴金属が担持された第１の化合物粒子の集合体を、二次粒径３００ｎｍ以下まで粉砕機又は分散機により粉砕又は分散させるものである。この粉砕又は分散により、粒径３００ｎｍ以下にした第１の化合物の二次粒子に貴金属粒子が担持される。この態様によって、第１の化合物の二次粒子を、第２の化合物の前駆体中に均一に分散させることが可能となる。また、この工程を経て得られた触媒粉末のＣＯ吸着率は、貴金属粒子がＰｔの場合で１００[g/m2-メタル]以上を得ることができる。
【００５７】
別の具体的態様は、平均粒子径３０ｎｍ以下の貴金属粒子を、第１の化合物粒子の集合体の粉砕又は分散工程中に当該第１の化合物粒子に担持させるものである。粉砕機又は分散機による第１の化合物粒子の集合体の粉砕又は分散工程の途中で、この粉砕機又は分散機内に貴金属粒子を加えることにより、粒径３００ｎｍ以下にした第１の化合物の二次粒子に貴金属粒子が担持される。この態様によって、粉砕機又は分散機内で第１の化合物が所望の二次粒径になった状態で貴金属粒子を直接的に担持させるため、二次粒径３００ｎｍ以下の第１の化合物の各二次粒子の表面に、貴金属粒子が均一に担持される。その結果、触媒の活性がより向上する。また、この工程を経て得られた触媒粉末のＣＯ吸着率は、貴金属粒子がＰｔの場合で１５０[g/m2-メタル]以上を得ることができる。貴金属粒子を加えるタイミングは、粉砕機又は分散機による第１の化合物粒子の集合体の粉砕又は分散工程の初期段階でも良いし、中期段階でも良いし、終期段階でも良い。所望の第１の化合物の二次粒径に応じて、加えるタイミングを定めればよい。
【００５８】
別の具体的態様は、平均粒子径３０ｎｍ以下の貴金属粒子を、二次粒径３００ｎｍ以下まで粉砕又は分散させた後に当該第１の化合物の二次粒子に担持させるものである。粉砕又は分散を終えた粉砕機又は分散機内で、あるいは粉砕機又は分散機外で、貴金属粒子を二次粒径３００ｎｍ以下の第１の化合物の二次粒子に担持させる。この態様によって、粉砕又は分散によって所望の二次粒径になった状態の第１の化合物に貴金属粒子の担持を行うため、この第１の化合物の各二次粒子の表面に均一に貴金属粒子が担持される。その結果、触媒の活性がより向上する。また、この工程を経て得られた触媒粉末のＣＯ吸着量は、貴金属粒子がＰｔの場合で１５０[g/m2-メタル]以上を得ることができる。
【００５９】
（実施例）
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。
【００６０】
［触媒粉末の製造方法］
始めに、以下の表１及び表２に示す実施例１〜１４、実施例２０〜２５及び比較例１の触媒粉末の製造方法について説明する。
【表１】
【表２】
【００６１】
〔実施例１〕
実施例１では、始めに、水：エタノール＝１：１の混合溶液中に界面活性剤であるポリビニルピロリドンを界面活性剤／溶媒比＝０．１５［mol/L比］となるように混合，攪拌した後、溶液に酢酸Ｃｅを加えて攪拌する。そして、攪拌完了後、溶液にアンモニアを加えてさらに２時間攪拌することによりＣｅコロイド溶液を調製した。次に、Ｃｅコロイド溶液にジニトロジアミンＰｔ塩を加えた後、エタノールを加えて８０［℃］まで昇温することによりＰｔ塩を析出させる。次に、へキシレングリコール溶液中にアルミニウムイソプロポキシドを溶かした後、溶液中にＰｔ塩を投入する。そして、エバポレータ中で溶液を減圧乾燥した後、さらに１２０［℃］の乾燥機中で乾燥させることにより触媒粉末を調製する。そして最後に、４００［℃］の空気中で触媒粉末を焼成することにより実施例１のＰｔ，ＣｅＯ２／Ａｌ２Ｏ３触媒粉末を調製した。
【００６２】
なお、この触媒粉末の組成はＰｔ（0.3wt%），ＣｅＯ２（10%）であった。また、ＴＥＭ観察の結果、Ｐｔ（貴金属）とＣｅＯ２（第１の化合物）の平均粒子径はそれぞれ２．３及び７［ｎｍ］であった。また、ＰｔとＣｅＯ２の接触率は９５［％］であった。なお、本実施例と以下に示す実施例及び比較例においては、接触率は、ＴＥＭ−ＥＤＸを利用して５０点のＥＤＸスポット（５［ｎｍ］）それぞれについてスポット内部に存在する貴金属と第１の化合物の比を測定し、測定結果から縦軸Ｐｔ［atom%］及び横軸Ｃｅ［atom%］の直線の傾きを求めることにより算出した。具体的には、Ｐｔが３［atom%］，Ｃｅが１０［atom%］である場合、ＰｔとＣｅが１００［％］接触していれば傾きは３／１０となるので、直線の傾きが２／１０である場合には接触率は６７［％］（＝｛０．２／０．３｝×１００）となる。
【００６３】
更に、この粉末のアルミナ部分の平均細孔径を測定するため、Pt/CeO2部を抜いて、同様の調製処理を行い、得られた粉末の平均細孔径は、6.2nmであった。したがって、本実施例の粉末のアルミナ部の平均細孔径も同様の数値と考える。
【００６４】
〔実施例２〕
実施例２では、界面活性剤／溶媒比＝０．０７［mol/L比］とした以外は上記実施例１と同様の処理を行うことにより、実施例２のＰｔ，ＣｅＯ２／Ａｌ２Ｏ３触媒粉末を調製した。なお、この触媒粉末では、ＰｔとＣｅＯ２の平均粒子径はそれぞれ２．４及び２８［ｎｍ］であった。また、ＰｔとＣｅＯ２の接触率は９４［％］であった。
【００６５】
〔実施例３〕
実施例３では、界面活性剤／溶媒比＝０．３５［mol/L比］とした以外は上記実施例１と同様の処理を行うことにより、実施例３のＰｔ，ＣｅＯ２／Ａｌ２Ｏ３触媒粉末を調製した。なお、この触媒粉末では、ＰｔとＣｅＯ２の平均粒子径はそれぞれ２．４［ｎｍ］及び１［ｎｍ］以下であった。また、ＰｔとＣｅＯ２の接触率は９６［％］であった。
【００６６】
〔実施例４〕
実施例４では、実施例１において１２０［℃］の乾燥機中で乾燥させることにより調製された触媒粉末を再度水とエタノールの混合溶液中に投入した後、溶液中にジニトロジアミンＰｔ塩を投入する。そして、溶液を８０［℃］まで昇温することによりＰｔを析出させた後、４００［℃］の空気中で焼成することにより実施例４のＰｔ，ＣｅＯ２／Ａｌ２Ｏ３触媒粉末を調製した。なお、この触媒粉末の組成はＰｔ（0.3wt%），ＣｅＯ２（10%）であった。また、エタノールを加えて溶液を８０［℃］まで昇温することにより調製されたＰｔ量と溶液を８０［℃］まで昇温する工程とにより調製されたＰｔ量の比は８：２であった。また、ＴＥＭ観察の結果、ＰｔとＣｅＯ２の平均粒子径はそれぞれ２．４及び７［ｎｍ］であった。また、ＰｔとＣｅＯ２の接触率は８２［％］であった。
【００６７】
〔実施例５〕
実施例５では、エタノールを加えて溶液を８０［℃］まで昇温することにより調製されたＰｔ量と溶液を８０［℃］まで昇温する工程とにより調製されたＰｔ量の比を７：３とした以外は実施例４と同様の処理を行うことにより、実施例５のＰｔ，ＣｅＯ２／Ａｌ２Ｏ３触媒粉末を調製した。なお、この触媒粉末では、ＰｔとＣｅＯ２の平均粒子径はそれぞれ２．４及び７［ｎｍ］であった。また、ＰｔとＣｅＯ２の接触率は７５［％］であった。
【００６８】
〔実施例６〕
実施例６では、酢酸Ｃｅを酢酸Ｃｅ：酢酸Ｚｒ＝２：１の混合塩に変更した以外は実施例１と同様の処理を行うことにより、実施例６のＰｔ，Ｃｅ−Ｚｒ−Ｏｘ／Ａｌ２Ｏ３触媒粉末を調製した。なお、この触媒粉末では、ＰｔとＣｅ−Ｚｒ−Ｏｘの平均粒子径はそれぞれ２．３及び１１［ｎｍ］であった。また、ＰｔとＣｅ−Ｚｒ−Ｏｘの接触率は９３［％］であった。
【００６９】
〔実施例７〕
実施例７では、アルミニウムイソプロポキシドをジルコニウムイソプロポキシドに変更した以外は実施例１と同様の処理を行うことにより実施例７のＰｔ，ＣｅＯ２／ＺｒＯ２触媒粉末を調製した。なお、この触媒粉末では、ＰｔとＣｅＯ２の平均粒子径はそれぞれ２．２及び７［ｎｍ］であった。また、ＰｔとＣｅＯ２の接触率は９４［％］であった。
【００７０】
〔実施例８〕
実施例８では、へキシレングリコール溶液中にＰｔ塩を投入した後にさらに酢酸Ｌａを加えた以外は実施例１と同様の処理を行うことにより、実施例８のＰｔ，ＣｅＯ２／Ａｌ２Ｏ３＋Ｌａ触媒粉末を調製した。なお、この触媒粉末の組成はＰｔ（0.3wt%），ＣｅＯ２（10%），Ｌａ−Ａｌ２Ｏ３（3wt%）であった。また、ＰｔとＣｅＯ２の平均粒子径はそれぞれ２．３及び７［ｎｍ］であった。また、ＰｔとＣｅＯ２の接触率は９４［％］であった。
【００７１】
〔実施例９〕
実施例９では、アルミニウムイソプロポキシドをジルコニウムイソプロポキシドに変更した以外は実施例８と同様の処理を行うことにより実施例９のＰｔ，ＣｅＯ２／ＺｒＯ２＋Ｌａ触媒粉末を調製した。なお、この触媒粉末の組成はＰｔ（0.3wt%），ＣｅＯ２（10%），ＺｒＯ２＋Ｌａ（3wt%）であった。また、ＰｔとＣｅＯ２の平均粒子径はそれぞれ２．２及び７［ｎｍ］であった。また、ＰｔとＣｅＯ２の接触率は９２［％］であった。
【００７２】
〔実施例１０〕
実施例１０では、ジニトロジアミンＰｔ塩を硝酸Ｐｄ塩に変更した以外は実施例１と同様の処理を行うことにより実施例１０のＰｄ，ＣｅＯ２／Ａｌ２Ｏ３触媒粉末を調製した。なお、この触媒粉末では、ＰｄとＣｅＯ２の平均粒子径はそれぞれ３．５及び７［ｎｍ］であった。また、ＰｄとＣｅＯ２の接触率は９１［％］であった。
【００７３】
〔実施例１１〕
実施例１１では、ジニトロジアミンＰｔ塩を硝酸Ｒｈ塩に変更した以外は実施例１と同様の処理を行うことにより実施例１１のＲｈ，ＣｅＯ２／ＺｒＯ２触媒粉末を調製した。なお、この触媒粉末では、ＲｈとＣｅＯ２の平均粒子径はそれぞれ２．１及び７［ｎｍ］であった。また、ＲｈとＣｅＯ２の接触率は９２［％］であった。
【００７４】
〔実施例２０〕
実施例２０では、界面活性剤／溶媒比＝０．０４［mol/L比］とした以外は上記実施例１と同様の処理を行うことにより、実施例２０のＰｔ，ＣｅＯ２／Ａｌ２Ｏ３触媒粉末を調製した。なお、この触媒粉末では、ＰｔとＣｅＯ２の平均粒子径はそれぞれ２．３及び３５［ｎｍ］であった。また、ＰｔとＣｅＯ２の接触率は９４［％］であった。
【００７５】
〔実施例２１〕
実施例２１では、Ｐｔ塩を析出させる際にエタノールを入れない以外は上記実施例１と同様の処理を行うことにより、実施例２１のＰｔ，ＣｅＯ２／Ａｌ２Ｏ３触媒粉末を調製した。なお、この触媒粉末では、ＰｔとＣｅＯ２の平均粒子径はそれぞれ１．５［ｎｍ］以下及び７［ｎｍ］であった。また、ＰｔとＣｅＯ２の接触率は９４［％］であった。
【００７６】
〔実施例２２〕
実施例２２では、Ｃｅコロイド溶液の調製の代わりに市販のセリアコロイドゾル水溶液を用い、貴金属析出工程を行わない以外は上記実施例１と同様の処理を行うことにより、実施例２２のＰｔ，ＣｅＯ２／Ａｌ２Ｏ３触媒粉末を調製した。なお、この触媒粉末では、ＰｔとＣｅＯ２の平均粒子径はそれぞれ１．５［ｎｍ］以下及び４８［ｎｍ］であった。また、ＰｔとＣｅＯ２の接触率は９５［％］であった。
【００７７】
〔実施例２３〕
実施例２３では、平均粒子径が50ｎｍの市販のナノセリア粉末に、ジニトロジアミンＰｔ水溶液を含浸担持し、一旦乾燥、焼成後、Ｐｔ（0．3％）／セリア粉末を得た。得られた粉末を一旦、イオン交換水に投入し、超音波を照射し、懸濁させながら、界面活性剤として、ポリビニルピロリドンを投入し、均一になるまで、攪拌混合を行った。このようにして、セリアの平均粒子径が、50ｎｍの粉末分散コロイド溶液を得た。一方、所定量のベーマイト粉末と、硝酸セリウム、酢酸および、イオン交換水をロータリーエバポレータに付属のナス型フラスコに投入し、一旦攪拌した後、上記コロイド溶液を滴下した。その後、ナス型フラスコをオイルバスにセットし、８０℃で、真空乾燥させた。その後、４００℃まで、徐々に昇温した後、１時間、空気気流中で焼成して、実施例２３の触媒粉末を得た。なお、この触媒粉末では、ＰｔとＣｅＯ２の平均粒子径はそれぞれ１．５［ｎｍ］以下及び５０［ｎｍ］であった。また、ＰｔとＣｅＯ２の接触率は９４［％］であった。
【００７８】
〔実施例２４〕
実施例２４では、ボールミルにて粉砕した平均粒子径２．５μｍのＣｅＯ２を、溶液に加えたＣｅコロイド溶液を調製し、還元処理を経ないでＰｔを担持させた以外は上記実施例１と同様の処理を行うことにより、実施例２４のＰｔ，ＣｅＯ２／Ａｌ２Ｏ３触媒粉末を調製した。なお、この触媒粉末では、ＰｔとＣｅＯ２の平均粒子径はそれぞれ１．５［ｎｍ］以下及び２５００［ｎｍ］であった。また、ＰｔとＣｅＯ２の接触率は８２［％］であった。
【００７９】
〔実施例２５〕
実施例２５では、界面活性剤／溶媒比＝０．００１５［mol/L比］として調製したＣｅコロイド溶液に、貴金属担持濃度を３．０％とし、還元処理を経ないでＰｔを担持させた以外は上記実施例１と同様の処理を行うことにより、実施例２５のＰｔ，ＣｅＯ２／Ａｌ２Ｏ３触媒粉末を調製した。なお、この触媒粉末では、ＰｔとＣｅＯ２の平均粒子径はそれぞれ１．５［ｎｍ］以下及び５００［ｎｍ］であった。また、ＰｔとＣｅＯ２の接触率は７３［％］であった。
【００８０】
〔比較例１〕
比較例１では、活性アルミナに硝酸Ｃｅ水溶液を含浸担持し、１２０℃で乾燥後、４００℃で空気気流中１時間焼成することで、ＣｅＯ２担持アルミナ粉末を得た。この粉末に更にジニトロジアミンＰｔ水溶液を含浸担持し、比較例１の触媒粉末を得た。この粉末の；Ｐｔ量は０．３ｗｔ％、ＣｅＯ２量は１０％である。なお、この触媒粉末では、ＰｔとＣｅＯ２の平均粒子径はそれぞれ１．５［ｎｍ］以下及び６００［ｎｍ］であった。また、ＰｔとＣｅＯ２の接触率は１１［％］であった。
【００８１】
〔実施例１２〕
実施例１２では、始めに、水：エタノール＝１：１の混合溶液中に界面活性剤であるポリビニルピロリドンを界面活性剤／溶媒比＝０．１５［mol/L比］となるように混合，攪拌した後、溶液に酢酸Ｃｅを加えて攪拌する。そして、攪拌完了後、溶液にアンモニアを加えてさらに２時間攪拌することによりＣｅコロイド溶液を調製した。次に、Ｃｅコロイド溶液にジニトロジアミンＰｔ塩を加えた後、エタノールを加えて８０［℃］まで昇温することによりＰｔ塩を析出させる。次に、水中にベーマイトを分散させた後、酢酸を投入することによりｐＨ＝４とした状態でベーマイトを解膠させる。そして、ベーマイトが解膠した水中にＰｔ塩を投入した後、１２０［℃］の乾燥機中で乾燥させることにより触媒粉末を調製する。そして最後に、４００［℃］の空気中で触媒粉末を焼成することにより実施例１２のＰｔ，ＣｅＯ２／Ａｌ２Ｏ３触媒粉末を調製した。なお、この触媒粉末の組成はＰｔ（0.3wt%），ＣｅＯ２（10%）であった。また、ＰｔとＣｅＯ２の平均粒子径はそれぞれ２．４及び７［ｎｍ］であった。また、ＰｔとＣｅＯ２の接触率は９６［％］であった。
【００８２】
〔実施例１３〕
実施例１３では、始めに、水：エタノール＝１：１の混合溶液中に界面活性剤であるポリビニルピロリドンを界面活性剤／溶媒比＝０．１５［mol/L比］となるように混合，攪拌した後、溶液に酢酸Ｃｅを加えて攪拌する。そして、攪拌完了後、溶液にアンモニアを加えてさらに２時間攪拌することによりＣｅコロイド溶液を調製し、さらにＣｅコロイド溶液に平均粒子径２［ｎｍ］のＰｔコロイドを加えることによりＰｔ塩を析出させた。次に、へキシレングリコール溶液中にアルミニウムイソプロポキシドを溶かした後、溶液中にＰｔ塩を投入する。そして、エバポレータ中で溶液を減圧乾燥した後、さらに１２０［℃］の乾燥機中で乾燥させることにより触媒粉末を調製する。そして最後に、４００［℃］の空気中で触媒粉末を焼成することにより実施例１３のＰｔ，ＣｅＯ２／Ａｌ２Ｏ３触媒粉末を調製した。なお、この触媒粉末の組成はＰｔ（0.3wt%），ＣｅＯ２（10%）であった。また、ＰｔとＣｅＯ２の平均粒子径はそれぞれ２．２及び７［ｎｍ］であった。また、ＰｔとＣｅＯ２の接触率は８２［％］であった。
【００８３】
〔実施例１４〕
実施例１４では、始めに、水：エタノール＝１：１の混合溶液中に界面活性剤であるポリビニルピロリドンを界面活性剤／溶媒比＝０．１５［mol/L比］となるように混合，攪拌した後、溶液に酢酸Ｃｅを加えて攪拌する。そして、攪拌完了後、溶液にアンモニアを加えてさらに２時間攪拌することによりＣｅコロイド溶液を調製し、さらにＣｅコロイド溶液に平均粒子径２［ｎｍ］のＰｔコロイドを加える。次に、水中にベーマイトを分散させた後、酢酸を投入することによりｐＨ＝４とした状態でベーマイトを解膠させた。そして、ベーマイトが解膠した水中にＰｔ塩を投入した後、１２０［℃］の乾燥機中で乾燥させることにより触媒粉末を調製する。そして最後に、４００［℃］の空気中で触媒粉末を焼成することにより実施例１２のＰｔ，ＣｅＯ２／Ａｌ２Ｏ３触媒粉末を調製した。なお、この触媒粉末の組成はＰｔ（0.3wt%），ＣｅＯ２（10%）であった。なお、この触媒粉末では、ＰｔとＣｅＯ２の平均粒子径はそれぞれ２．２及び７［ｎｍ］であった。また、ＰｔとＣｅＯ２の接触率は８４［％］であった。
【００８４】
［排気ガス浄化用触媒の製造方法］
次に、実施例１及び比較例１の触媒粉末を用いた排気ガス浄化用触媒の実施例１５〜１９、比較例２について説明する。
【００８５】
〔実施例１５〕
実施例１５では、実施例１の触媒粉末１８０［ｇ］，アルミナゾル２０［ｇ］，水２９０［ｇ］，及び硝酸１０［ｇ］を磁性ボールミルに投入し、混合粉砕することにより触媒スラリーを調製した。そして、触媒スラリーをコーデェライトモノリス担体（０．１２Ｌ，４００セル）に付着させ、空気流によってセル内の余剰スラリーを取り除き、１３０［℃］で乾燥させた後、４００［℃］で１時間焼成することにより、コート層１００［ｇ／Ｌ］の実施例１５の排気ガス浄化用触媒を調製した。
【００８６】
〔実施例１６〕
実施例１６では、実施例１５の触媒に硝酸Ｆｅを含浸することにより実施例１６の排気ガス浄化用触媒を調製した。
【００８７】
〔実施例１７〕
実施例１７では、硝酸Ｆｅを硝酸Ｃｏに変更した以外は実施例１６と同様の処理を行うことにより実施例１７の排気ガス浄化用触媒を調製した。
【００８８】
〔実施例１８〕
実施例１８では、硝酸Ｆｅを硝酸Ｎｉに変更した以外は実施例１６と同様の処理を行うことにより実施例１８の排気ガス浄化用触媒を調製した。
【００８９】
〔実施例１９〕
実施例１９では、硝酸Ｆｅを硝酸Ｍｎに変更した以外は実施例１６と同様の処理を行うことにより実施例１９の排気ガス浄化用触媒を調製した。
【００９０】
〔比較例２〕
比較例２では、実施例１の触媒粉末の代わりに比較例１の触媒粉末を用いた以外は実施例１５と同様の処理を行うことにより比較例２の排気ガス浄化用触媒を調製した。
【００９１】
〔実施例２６〕
実施例２６では、始めに、水：エタノール＝１：１の混合溶液中に界面活性剤であるポリビニルピロリドンを界面活性剤／溶媒比＝０．１５［mol/L比］となるように混合，攪拌した後、溶液に酢酸Ｃｅを加えて攪拌する。そして、攪拌完了後、溶液にアンモニアを加えてさらに２時間攪拌することによりＣｅコロイド溶液を調製した。次に、Ｃｅコロイド溶液にジニトロジアミンＰｔ塩を加えた後、エタノールを加えて８０［℃］まで昇温することによりＰｔ塩を析出させる。
【００９２】
一方、ベーマイトを分散させた水溶液中に、上記コロイド溶液を投入する。そして、エバポレータ中で溶液を減圧乾燥した後、さらに１２０［℃］の乾燥機中で乾燥させることにより触媒粉末を調製する。そして最後に、４００［℃］の空気中で触媒粉末を焼成することにより実施例２６のＰｔ，ＣｅＯ２／Ａｌ２Ｏ３触媒粉末を調製した。
【００９３】
なお、この触媒粉末の組成はＰｔ（0.3wt%），ＣｅＯ２（10%）であった。この触媒粉末では、ＰｔとＣｅＯ２の平均粒子径はそれぞれ１．５［ｎｍ］以下及び５０［ｎｍ］であった。また、ＰｔとＣｅＯ２の接触率は９４［％］であった。また、ＴＥＭ観察の結果、Ｐｔ（貴金属）とＣｅＯ２（化合物Ａ）の平均粒子径はそれぞれ２．３及び７［ｎｍ］であった。また、ＰｔとＣｅＯ２の接触率は９５［％］であった。
【００９４】
更に、この粉末のアルミナ部分の平均細孔径を測定するため、Pt/CeO2部を抜いて、同様の調製処理を行い、得られた粉末の平均細孔径は、20.6nmであった。従って、本実施例の粉末のアルミナ部の平均細孔径も同様の数値と考える。
【００９５】
〔実施例２７〕
実施例２７では、平均粒子径が101ｎｍの市販のナノセリア粉末に、ジニトロジアミンＰｔ水溶液を含浸担持し、一旦乾燥、焼成後、Ｐｔ（0．3％）／セリア粉末を得た。得られた粉末を一旦、イオン交換水に投入し、超音波を照射し、懸濁させながら、界面活性剤として、ポリビニルピロリドンを投入し、均一になるまで、攪拌混合を行った。このようにして、セリアの平均粒子径が、101ｎｍの粉末分散コロイド溶液を得た。
【００９６】
一方、ベーマイトを分散させた水溶液中に、上記コロイド溶液を投入する。そして、エバポレータ中で溶液を減圧乾燥した後、さらに１２０［℃］の乾燥機中で乾燥させることにより触媒粉末を調製する。そして最後に、４００［℃］の空気中で触媒粉末を焼成することにより実施例２７のＰｔ，ＣｅＯ２／Ａｌ２Ｏ３触媒粉末を調製した。
【００９７】
なお、この触媒粉末の組成はＰｔ（0.3wt%），ＣｅＯ２（10%）であった。また、ＴＥＭ観察の結果、ＰｔとＣｅＯ２の平均粒子径はそれぞれ１．５［ｎｍ］以下及び101［ｎｍ］であった。また、ＰｔとＣｅＯ２の接触率は９４［％］であった。
【００９８】
更に、この粉末のアルミナ部分の平均細孔径を測定するため、Pt/CeO2部を抜いて、同様の調製処理を行い、得られた粉末の平均細孔径は、6.2nmであった。従って、本実施例の粉末のアルミナ部の平均細孔径も同様の数値と考える。
【００９９】
〔実施例２８〕
実施例２８では、平均粒子径が101ｎｍの市販のナノセリア粉末に、ジニトロジアミンＰｔ水溶液を含浸担持し、一旦乾燥、焼成後、Ｐｔ（0．3％）／セリア粉末を得た。得られた粉末を一旦、イオン交換水に投入し、超音波を照射し、懸濁させながら、界面活性剤として、ポリビニルピロリドンを投入し、均一になるまで、攪拌混合を行った。このようにして、セリアの平均粒子径が、101ｎｍの粉末分散コロイド溶液を得た。
【０１００】
一方、ベーマイトを分散させた水溶液中に、上記コロイド溶液を投入する。そして、エバポレータ中で溶液を減圧乾燥した後、さらに１２０［℃］の乾燥機中で乾燥させることにより触媒粉末を調製する。そして最後に、４００［℃］の空気中で触媒粉末を焼成することにより実施例２８のＰｔ，ＣｅＯ２／Ａｌ２Ｏ３触媒粉末を調製した。
【０１０１】
なお、この触媒粉末の組成はＰｔ（0.3wt%），ＣｅＯ２（10%）であった。また、ＴＥＭ観察の結果、ＰｔとＣｅＯ２の平均粒子径はそれぞれ１．５［ｎｍ］以下及び101［ｎｍ］であった。また、ＰｔとＣｅＯ２の接触率は９４［％］であった。
【０１０２】
更に、この粉末のアルミナ部分の平均細孔径を測定するため、Pt/CeO2部を抜いて、同様の調製処理を行い、得られた粉末の平均細孔径は、20.6nmであった。従って、本実施例の粉末のアルミナ部の平均細孔径も同様の数値と考える。
【０１０３】
〔実施例２９〕
実施例２９は、排気ガス浄化用触媒を製造するにあたり、第１の化合物の二次粒子の集合体を、分散機を用いて分散させることにより、複合コロイド溶液を調製することなく製造した例であり、なかでも、貴金属粒子を第１の化合物の二次粒子の集合体に担持させた後に、分散機により分散させた例である。
【０１０４】
まず、Pt粒子を第１の化合物であるCeO2の微細二次粒子に担持させるために、Ce−Zr−Ox化合物粉末を水中に分散させ、ジニトロジアミンＰｔ硝酸酸性溶液を滴下し、攪拌した。次いで、蒸発乾固の後に400℃で1時間の空気気流中で焼成した。焼成された粉末は、貴金属粒子と第１の化合物の二次粒子の集合体であり、平均粒径は２μｍであった。
【０１０５】
得られた粉末を市販のビーズミル（ビーズ径0.3mm）によって分散させ、平均粒径を120nmとした。
【０１０６】
分散させた二次粒子を含むスラリと、予め硝酸溶液で解膠したベーマイトスラリとを混合し、ホモジナイザ等で強力に攪拌した。攪拌後のスラリをスプレードライ等により乾燥させた。
【０１０７】
乾燥させた粉末を550℃で3時間、空気気流中で焼成しPt／CeO2／Al2O3触媒を得た。
【０１０８】
〔実施例３０〕
実施例３０は、実施例２９と同様に、排気ガス浄化用触媒を製造するにあたり、第１の化合物の二次粒子の集合体を、分散機を用いて分散させることにより、複合コロイド溶液を調製することなく製造した例であり、なかでも、第１の化合物の二次粒子の集合体を分散させた後に、貴金属粒子を担持させた例である。
【０１０９】
まず、Ce−Zr−Ox化合物粉末を水中に分散させ、市販のビーズミル（ビーズ径0.3mm）にて120nm程度に分散させた。次に、このビーズミル内にジニトロジアミンＰｔ硝酸酸性溶液を滴下し、さらに分散を行った。
【０１１０】
分散させた二次粒子を含むスラリと、予め硝酸溶液で解膠したベーマイトスラリとを混合し、ホモジナイザ等で強力に攪拌した。攪拌後のスラリをスプレードライ等により乾燥させた。
【０１１１】
乾燥させた粉末を550℃で3時間、空気気流中で焼成しPt／CeO2／Al2O3触媒を得た。
【０１１２】
〔実施例３１〕
実施例３１は、実施例３０と同様に、排気ガス浄化用触媒を製造するにあたり、第１の化合物の二次粒子の集合体を、分散機を用いて分散させることにより、複合コロイド溶液を調製することなく製造した例であり、また、第１の化合物の二次粒子の集合体を分散させた後に、貴金属粒子を担持させた例である。かつ、この貴金属粒子の担持を、分散機外で行った例である。
【０１１３】
まず、Ce−Zr−Ox化合物粉末を水中に分散させ、市販のビーズミル（ビーズ径0.3mm）にて120nm程度に分散させた。分散させたのち、スラリをビーカに移し攪拌を続けた。このビーカにジニトロジアミンＰｔ硝酸酸性溶液を滴下し、さらに攪拌を続けた。
【０１１４】
分散させた二次粒子を含むスラリと、予め硝酸溶液で解膠したベーマイトスラリとを混合し、ホモジナイザ等で強力に攪拌した。攪拌後のスラリをスプレードライ等により乾燥させた。
【０１１５】
乾燥させた粉末を550℃で3時間、空気気流中で焼成しPt／CeO2／Al2O3触媒を得た。
【０１１６】
〔実施例３２〕
実施例３２は、実施例２９と同様に、排気ガス浄化用触媒を製造するにあたり、第１の化合物の二次粒子の集合体を、分散機を用いて分散させることにより、複合コロイド溶液を調製することなく製造した例であり、なかでも、第１の化合物の二次粒子の集合体を分散させる前に、貴金属粒子を分散機に加えて、分散機内で第１の化合物を分散させながら貴金属粒子を担持させた例である。
【０１１７】
まず、Zr−La−Ox化合物粉末を水中に分散させ、市販のビーズミル（ビーズ径0.3mm）に投入した。また、ジニトロジアミンＰｔ硝酸酸性溶液を同様にビーズミルに加え、ビーズミル内で分120nm程度に分散を行った。
【０１１８】
分散させた二次粒子を含むスラリと、予め硝酸溶液で解膠したベーマイトスラリとを混合し、ホモジナイザ等で強力に攪拌した。攪拌後のスラリをスプレードライ等により乾燥させた。
【０１１９】
乾燥させた粉末を550℃で3時間、空気気流中で焼成しPt／CeO2／Al2O3触媒を得た。
【０１２０】
［耐久試験］
次に、実施例１〜３２及び比較例１〜２の排気ガス浄化用触媒それぞれについて、耐久試験を行った結果を説明する。
【０１２１】
〔試験方法〕
上記実施例１〜１４、実施例２０〜２５、実施例２９〜３２及び比較例１の触媒粉末については、９００［℃］の大気雰囲気炉中で触媒粉末を３時間焼成する耐久試験を行い、耐久試験後の貴金属粒子の平均粒子径をＴＥＭを用いて測定した。また、実施例１５〜１９及び比較例２の排気ガス浄化用触媒については、排気量３５００［ｃｃ］のエンジンの排気系に実施例１５〜１９及び比較例２の排気ガス浄化用触媒を装着し、入口温度を８００［℃］として３０時間エンジンを稼働させる耐久試験を行った後、排気ガス浄化用触媒を模擬排気ガス流通装置に組み込み、以下の表３に示す組成の模擬排気ガスを流通させ、４００［℃］における入口側及び出口側のＨＣ濃度から実施例１５〜１９及び比較例２の排気ガス浄化用触媒それぞれの４００［℃］におけるＨＣ浄化率（ηＨＣ）［％］を算出した。
【表３】
【０１２２】
〔試験結果〕
上記耐久試験の結果を表１，２及び表４に示す。
【表４】
【０１２３】
表１，２から明らかなように、比較例１の触媒粉末では、耐久試験前後で貴金属の平均粒子径が大きく変化（増加）しているのに対して、実施例１〜１４、実施例２０〜２５の触媒粉末では、耐久試験前後で貴金属の平均粒子径は大きく変化していない。また、表４から明らかなように、比較例２の排気ガス浄化用触媒では、耐久試験残後でＨＣ転化率が大幅に低下しているのに対して、実施例１５〜１９の排気ガス浄化用触媒では、耐久試験前後でＨＣ転化率は大幅に低下していない。このことから、本実施例の触媒粉末及び排気ガス浄化用触媒によれば、第１の化合物による貴金属粒子の活性向上効果を維持できることが知見される。
【０１２４】
また、実施例５の触媒粉末のように第１の化合物と接触している貴金属の割合が８０［％］以下であると、他の実施例と比較して貴金属のシンタリングが進んでいる。このことから、第１の化合物による貴金属の活性向上効果をより維持するためには、貴金属の８０［％］以上は第１の化合物に接触していることが望ましいことがわかる。
【０１２５】
また、実施例１６〜１９の排気ガス浄化用触媒のように排気ガス浄化用触媒の中に｛Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｍｎ｝の中から選ばれる少なくとも１つの元素の化合物を含有させた場合には、実施例１５の排気ガス浄化用触媒のように含有させない場合と比較して耐久試験前後のＨＣ転化率の低下率が低い。このことから、第１の化合物による貴金属の活性向上効果をより維持するためには、排気ガス浄化用触媒の中に｛Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｍｎ｝の中から選ばれる少なくとも１つの元素の化合物を含有させることが望ましいことがわかる。
【０１２６】
また、実施例８及び実施例９の触媒粉末のように第２の化合物の中にＬａを含有させた場合には、させない場合と比較して耐久試験前後の貴金属粒子径の変化量が小さい。このことから、第１の化合物による貴金属の活性向上効果をより維持するためには、第２の化合物の中にＬａを含有させた方がよいことがわかる。
【０１２７】
また、実施例１５、実施例２６〜２８について、貴金属粒子を担持した第１の化合物の複合粒子の平均粒径Ｄａと、第２の化合物に形成されている細孔の平均細孔径Ｄｂと、この複合粒子のサイズＤａと平均細孔径Ｄｂの比と、耐久試験後の第２の化合物の結晶成長性と、ηＨＣとを調べた。
【０１２８】
二次粒子の平均細孔径の測定は、島津製作所製のASAP2120を用いた。前処理として３００℃に加熱して脱ガス処理し、１μｍＨｇになるまで真空脱気して吸着水を除去した。また、測定とは、Ｎ２吸着法により行った。
【０１２９】
また、結晶成長性の測定は、耐久試験前後のサンプルをそれぞれＸＲＤにより測定し、各々のＣｅＯ２の結晶子の径について、結晶成長＝（耐久試験後の結晶子径）／（初期結晶子径）の式により算出した。装置はマックスサイエンス社製のＸ線回折装置（ＭＸＰ１８ＶＡＨＦ）、測定条件は、Ｘ線波長がＣｕＫα、連続法により、５°〜９０°測定範囲で、サンプリング間隔０．０２、スキャン速度４°／ｍｉｎ、電圧４０ｋＶ、電流３００ｍＡ、発散スリット１．０°、散乱スリット１．０°、受光スリット０．３ｍｍで行った。
【０１３０】
これらの測定結果を表５に示す。
【表５】
【０１３１】
表５から、実施例１５及び実施例２６〜２８はいずれも、比較例２と比較して、ηＨＣに優れていることがわかる。なかでも、Ｄａ／Ｄｂの比が１０以上である実施例１５、実施例２７及び実施例２８は、第１の化合物の移動及び凝集が抑制されることから、第２の化合物の結晶成長性が小さく、より優れた排ガス浄化特性を有している。
【０１３２】
次に、実施例２９〜３２に従って製造された触媒粉末の初期粒子径と、耐久試験後の貴金属粒子の粒子径について測定した結果を表６に示す。
【表６】
【０１３３】
表６から、実施例２９〜３２に従って製造された触媒粉末についても、耐久試験後の貴金属粒子の粒径が小さく、つまり、凝集が抑制されている。この結果、優れた排気ガスの浄化性能を具備している。
【０１３４】
また、実施例２９〜３２に従って製造された触媒粉末について、ＣＯ吸着量の測定を行い、実施例２９については吸着量が１００[g/m2-メタル]以上、実施例３０〜３２については１５０[g/m2-メタル]以上であることが確認された。このＣＯ吸着量の測定結果から、実施例２９〜３２の触媒粉末は、貴金属粒子が、第１の化合物上に分散して担持されていて、すなわち、凝集が抑制されていることが判明した。
【０１３５】
なお、このＣＯ吸着量の測定は、装置として日本ベル株式会社の、BEL-METAL-3を用い、前処理条件として、まずＨｅが１００％のガス気流中、１０℃／分で４００℃まで昇温し、次いで４００℃において、Ｏ２が１００％のガス気流中、１５分間酸化処理し、次いで、Ｈｅが１００％のガスにて５分間パージし、次いで４００℃において、Ｈ２が４０％で残部がＨｅのガス気流中、１５分間還元処理し、次いでＨｅが1００％のガス気流中、５０℃まで降温させた。ＣＯ吸着量測定として、ＣＯが１０％で残部がＨｅのガスをパルス的に流入させ、Ｐｔの場合には単位吸着量（ｃｍ３／ｇ）＝総吸着量／試料重量から、ＣＯ吸着量（g/m2-メタル）=単位吸着量×２１４．９４／Ｐｔ担持量（ｗｔ％）として求めたものである。
【０１３６】
以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。
【符号の説明】
【０１３７】
１ 触媒粉末
２ 貴金属粒子（ＰＭ）
３ 第１の化合物（アンカー材）
４ 第２の化合物（包接材）
５ 遷移金属化合物（ＴＭ）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関から排出される排気ガスを浄化する処理に適用して好適な排気ガス浄化用触媒を備えた内燃機関用排気ガス浄化システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、内燃機関から排出される排気ガス中に含まれる炭化水素系化合物（ＨＣ），一酸化炭素（ＣＯ），窒素酸化物（ＮＯｘ）等の有害物質を除去するために、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等の金属酸化物担体に白金（Ｐｔ）等の貴金属粒子を担持した排気ガス浄化用触媒が広く利用されるようになっている。従来の排気ガス浄化用触媒では、周囲の雰囲気変動に対する貴金属粒子の耐久性を向上させるために、貴金属粒子が多量に用いられている。しかしながら、貴金属粒子を多量に用いることは地球資源保護の観点から見ると望ましくない。
【０００３】
このような背景から、最近では、含浸法によってＯＳＣ（Oxygen Storage Component：酸素吸蔵物質）材として機能するセリウム（Ｃｅ）やマンガン（Ｍｎ）等の遷移金属又は遷移金属化合物を貴金属粒子近傍に配置し、貴金属粒子周囲の雰囲気変動を遷移金属又は遷移金属化合物によって抑制することにより、貴金属粒子の耐久性を向上させる試みがなされている（特許文献１〜４参照）。なお、このような方法によれば、貴金属粒子の耐久性向上に加えて、貴金属粒子の活性向上も期待することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−１３１８３０号公報
【特許文献２】特開２００５−０００８２９号公報
【特許文献３】特開２００５−０００８３０号公報
【特許文献４】特開２００３−１１７３９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
貴金属粒子周囲の雰囲気変動を遷移金属の化合物によって抑制する場合には、貴金属粒子と遷移金属の化合物粒子の双方が微粒子であり、且つ、互いに接触している必要性がある。しかしながら、含浸法を用いた場合には、貴金属粒子と遷移金属の化合物粒子とを接触させることができても双方が微粒子にならない、若しくは、双方が微粒子になっても接触させることができない又は接触させることができる量が少ないために、貴金属粒子近傍に遷移金属の化合物粒子を設計通りに配置させることは難しい。また、貴金属粒子の耐久性向上を図る場合、貴金属粒子の平均粒子径は２［ｎｍ］以上、貴金属粒子の活性向上を図る場合には、貴金属粒子の平均粒子径は５［ｎｍ］以下とすることが望ましい。しかしながら、含浸法を用いた場合には、貴金属粒子の平均粒子径は１．５［ｎｍ］以下になるために、貴金属粒子の耐久性向上や活性向上を期待することは難しい。
【０００６】
また、遷移金属の化合物は金属酸化物担体として広く利用されているアルミナと固溶しやすいために、遷移金属の化合物を貴金属粒子近傍に単に配置しただけでは貴金属粒子の活性向上効果は得られにくい。なお、このような問題を解決するために、遷移金属の化合物と固溶しない担体上に遷移金属の化合物を担持する方法が考えられてはいるが、この方法を用いた場合には、高温雰囲気下において遷移金属の化合物が移動し、遷移金属の化合物同士が接触することによって遷移金属の化合物が凝集してしまう。また、遷移金属の化合物の凝集を防止するために、逆ミセル法を利用して表面積が大きい遷移金属の化合物粒子を製造する方法も考えられるが、この方法では有機溶媒を使用するために製造コストや環境負荷が大きい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明に係る内燃機関用排気ガス浄化システムは、内燃機関の排気系に装着された排気ガス浄化用触媒を備える。排気ガス浄化用触媒は、触媒粉末とハニカム担体とを備える。触媒粉末は、触媒活性を有する貴金属粒子と、貴金属粒子と接触して貴金属粒子の移動を抑制する化合物としてのアンカー材と、貴金属粒子とアンカー材との複合粒子の単体又は集合体を内包する化合物としての包接材と、からなるユニットを複数有する。包接材は、アンカー材が包接材により隔てられた区画を超えて他のユニットのアンカー材と接触するのを抑制し、貴金属粒子及びアンカー材からなる複合粒子のサイズＤａと、前記包接材の平均細孔径Ｄｂとが、Ｄｂ＜Ｄａである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の内燃機関用排気ガス浄化システムに備えられる排気ガス浄化用触媒によれば、貴金属粒子とアンカー材との複合粒子を包接材で覆い内包することにより、貴金属粒子の移動を抑制すると共に、アンカー材同士の凝集も抑制するので、製造コストや環境負荷を大きくすることなく、アンカー材による貴金属粒子の活性向上効果を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態となる排気ガス浄化用触媒中の触媒粉末の構成を示す模式図である。
【図２】本発明の別の実施形態となる排気ガス浄化用触媒中の触媒粉末の構成を示す模式図である。
【図３】一つのユニットにおける貴金属粒子２の凝集前後の一例を示す模式図である。
【図４】貴金属粒子径と貴金属表面積との関係を示すグラフである。
【図５】貴金属粒子径と貴金属の原子数との関係を示すグラフである。
【図６】本発明の実施形態となる排気ガス浄化用触媒中の触媒粉末の構成を示す模式図である。
【図７】ＣｅＯ２の結晶成長比及びＰｔの表面積に対する複合粒子のサイズＤａと平均細孔径Ｄｂの比Ｄａ／Ｄｂの関係を示すグラフである。
【図８】本発明の実施形態となる排気ガス浄化用触媒中の触媒粉末の製造方法の説明図である。
【図９】本発明の製造方法における第１の工程の一例の説明図である。
【図１０】本発明の製造方法における第１の工程の別の例の説明図である。
【図１１】本発明の製造方法における第２の工程の別の例の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の内燃機関用排気ガス浄化システムの実施形態について、図面を用いつつ説明する。
【００１１】
図１は、本発明の一実施形態となる排気ガス浄化用触媒中の触媒粉末の模式図である。同図に示す触媒粉末１は、触媒活性を有する貴金属粒子２と、この貴金属粒子２と接触し、当該貴金属粒子２の移動を抑制する、アンカー材たる第１の化合物３と、この貴金属粒子２と第１の化合物３とを内包し、当該貴金属粒子２の移動を抑制すると共に第１の化合物３同士の接触に伴う第１の化合物３の凝集を抑制する、包接材たる第２の化合物４とからなる。この第１の化合物３は、貴金属粒子２を担持している。また、貴金属粒子２を担持した第１の化合物３の複数個の集合体が、第２の化合物４により隔てられた区画内に含まれている。
【００１２】
本願発明の発明者らは、精力的な研究を重ねてきた結果、貴金属粒子に遷移金属の化合物を化学的に結合することにより貴金属粒子の移動を化学的に抑制することができると共に、貴金属粒子を化合物で覆うことによって貴金属粒子の移動を物理的に抑制することができることを知見した。さらに、発明者らは、貴金属粒子と遷移金属の化合物の双方を化合物で覆うことによって貴金属粒子の移動抑制はもちろん、遷移金属の化合物の凝集も抑制することができることを知見した。
【００１３】
この知見に基づいて構成された図１に示す触媒粉末１は、貴金属粒子２と、第１の化合物３とが接触して、担持することにより第１の化合物３が化学的結合のアンカー材として作用し、貴金属粒子の移動を抑制する。また、この貴金属粒子２を第１の化合物３とを第２の化合物４で覆い、内包する形態とすることにより、貴金属粒子２の移動を物理的に抑制する。更に、この第２の化合物４により隔てられた区画内に貴金属粒子２と第１の化合物３とを含むことにより、この第２の化合物４により隔てられた区画を越えて第１の化合物３が接触し凝集することを抑制する。これらのことから、触媒粉末１は、製造コストや環境負荷を大きくすることなく、貴金属粒子２の凝集による触媒活性低下を防止することができ、また、第１の化合物３による貴金属粒子２の活性向上効果を維持することができる。
【００１４】
図２は、本発明の別の実施形態となる排気ガス浄化用触媒中の触媒粉末の模式図である。同図に示す触媒粉末１は、貴金属粒子２と、この貴金属粒子２を担持する第１の化合物３と、貴金属粒子２及び第１の化合物３を内包する第２の化合物４とからなる点は図１に示した触媒粉末１と同一である。そして第２の化合物４により隔てられた区画内に、貴金属粒子２と第１の化合物３とが種々の態様で含まれている。
【００１５】
図２において、第２の化合物４により隔てられた複数の区画のうち、ユニットＵ１では、単体の貴金属粒子２を担持した単体の第１の化合物３が含まれている。またユニットＵ２では、複数の貴金属粒子２を担持している複数個の第１の化合物３が、凝集した集合体（二次粒子）で含まれている。またユニットＵ３〜Ｕ６では、複数の貴金属粒子２を担持している単体の第１の化合物３が、種々の粒径で含まれている。
【００１６】
図２に示す本実施形態の触媒粉末は、図１に示した触媒粉末１と同様に、第２の化合物４により隔てられた区画を越えて第１の化合物３が接触し凝集することが抑制される。したがって、図１に示した触媒粉末１と同様の効果を有している。
【００１７】
この第２の化合物４により隔てられた区画内には、貴金属粒子を合計で８×１０−２０モル以下の量で含有することが好ましい。図２に示したように、第２の化合物４により隔てられた区画内に含まれる貴金属粒子２と第１の化合物３とは、種々の態様がある。これらの区画内で複数個の貴金属粒子２が移動して、互いに凝集する場合がある。この場合に、貴金属粒子２は、ユニットＵ１〜Ｕ６のいずれでも、アンカー材としての第１の化合物３の効果によって第２の化合物４には移動せず、ユニット内でのみ一つ又は複数個の貴金属粒に凝集する。一つのユニットにおける貴金属粒子２の凝集前後の一例を模式的に図３（ａ）及び、（ｂ）に示す。
【００１８】
ここに、一つのユニット内で貴金属粒が凝集した場合に、凝集した貴金属粒の粒径が１０［ｎｍ］以下であれば、充分な触媒活性を示し、凝集による触媒活性の劣化を抑制することができる。図４は、触媒活性を有する貴金属としての白金やパラジウムについて、貴金属粒子径と貴金属表面積との関係を示すグラフである。なお、同図では貴金属が白金の場合とパラジウムの場合と、ほぼ同じ曲線を示すので、一つの曲線として示している。同図から明らかなように、貴金属の粒子径が１０［ｎｍ］以下であれば粒子表面積が大きく、十分な活性が得られるので、凝集による触媒活性の劣化を抑制することができる。
【００１９】
図５は、触媒活性を有する貴金属としての白金やパラジウムについて、貴金属粒子径と貴金属の原子数との関係を示すグラフである。なお、同図では貴金属が白金の場合とパラジウムの場合と、ほぼ同じ曲線を示すので、一つの曲線として示している。同図から明らかなように、貴金属の粒子径が１０［ｎｍ］であるときの原子数は約４８０００個であり、この値をモル数に換算すると約８×１０−２０モル以下の量になる。
【００２０】
これらの観点から、ユニットＵ１〜Ｕ６のいずれの態様であっても、ユニット内の貴金属量を制限し、８×１０−２０モル以下の量とすることで、ユニット内で1個に凝集しても、触媒活性の劣化を抑制することができる。
【００２１】
ユニット内に含まれる貴金属量を８×１０−２０モル以下に低減する手段としては、第１の化合物３の貴金属粒子２の担持濃度を下げること、又は貴金属粒子２を担持した第１の化合物３の粒径を小さくすることの、２つの手段が存在する。本発明では、これらの手段に限定しないが、実際の触媒製造を考えた場合には、前者の担持濃度を下げる方法では、所定の排気ガス浄化触媒の性能を維持するためには触媒粉末をコートしたハニカム担体の容積を増やさなければならず、したがって、触媒のコート量が通常の一桁多いようなコート量をハニカム担体へコートする必要があるため、現実的ではない。
【００２２】
第１の化合物３の粒径に関して、最大粒径は、２［μｍ］とすることが好ましい。第１の化合物３は、貴金属粒子２と接触して貴金属粒子２の移動を抑制するアンカー材としての機能を有している。このアンカー材のアンカー効果は、第１の化合物３自身の大きさに影響を受けることを発明者らは見出した。従来の触媒粉末のように、単に粉末状の第１の化合物、例えばセリアなどに貴金属を含浸担持し、アルミナ中に分散させても上記の充分な貴金属凝集抑制効果を発揮することが難しい。例えば、従来のボールミルなどによる粉砕製法で第１の化合物３の粒子を得る場合には，最小でも２〜３［μm］の粒径までしか得られない。このような粒径の第１の化合物３粒子に貴金属粒子２を担持させる場合に、実際のコージェライトハニカム担体へのコート量上限及び使用貴金属量から定められる量で貴金属粒子２を第１の化合物３粒子に担持させると、高温、長時間での使用により、貴金属粒子２が数十［ｎｍ］にまで凝集し、触媒活性が劣化してしまう。したがって、実際の触媒に適用する際には、第２の化合物４により隔てられた区画内に含まれる第１の化合物３が、最大粒子径が２［μｍ］以下の粒子径であることが好ましい。
【００２３】
第１の化合物３の粒子を各種の製法で製造したときに、得られた第１の化合物３の粒子径にはばらつきがあり、製造条件に応じた所定の粒度分布を有している。そのため、第１の化合物３の粒子径は、平均粒子径で表されることがある。本発明の実施形態に係る排気ガス浄化用触媒において、第２の化合物４により隔てられた区画内に含まれる第１の化合物３の好ましい平均粒子径は、５０［ｎｍ］以下である。第１の化合物３の平均粒子径が５０［ｎｍ］を超える場合には、アンカー材である第１の化合物に担持される貴金属粒子２の量が増え、貴金属粒子２間の距離が短くなって、貴金属粒子２の凝集が促進される。
【００２４】
第１の化合物３の、より好ましい平均粒子径は、３０［ｎｍ］以下である。図６は、第２の化合物４により隔てられた区画内に第１の化合物３を単体で含む触媒粉末の模式図である。
【００２５】
上記触媒粉末１は、図６に示した実施形態においては、貴金属粒子（ＰＭ）２と、貴金属粒子２と接触し、貴金属粒子２の移動を抑制する第１の化合物（アンカー材）３と、貴金属粒子２と第１の化合物（アンカー材）３を内包し、貴金属粒子２の移動を抑制すると共に、第１の化合物（アンカー材）３同士の接触に伴う第１の化合物（アンカー材）３の凝集を抑制する第２の化合物４と、助触媒成分として含まれている遷移金属化合物５からなり、第１の化合物（アンカー材）３の平均粒子径は３０［ｎｍ］以下に調製されている。
【００２６】
すなわち、図６に示した触媒粉末１は、貴金属粒子２と第１の化合物（アンカー材）３を第２の化合物４で覆うことにより、貴金属粒子２の移動と同時に第１の化合物（アンカー材）３同士の凝集も抑制する。従って、上記触媒粉末１によれば、製造コストや環境負荷を大きくすることなく、第１の化合物（アンカー材）３による貴金属粒子２の活性向上効果を維持することができる。
【００２７】
そして、第１の化合物３の平均粒子径が３０［ｎｍ］以下であることにより、本実施形態の触媒粉末１は、貴金属粒子２の凝集をいっそう抑制することができる。第１の化合物３の平均粒子径の最適範囲は、５〜１５［ｎｍ］程度である。第１の化合物３の平均粒子径の下限は、特に限定するものではないが、分析機器（例えばＸＲＤ）によって第１の化合物３の結晶構造が同定できる大きさとして５［ｎｍ］以上とすることができる。
【００２８】
図１、図２又は図６に示した触媒粉末において、貴金属粒子２の第１の化合物３への吸着エネルギーがEaであり、貴金属粒子２の第２の化合物４への吸着安定化エネルギーがEbであるとき、EaがEbよりも小さい値であること（Ea＜Eb）が好ましい。発明者らは、第１の化合物３の機能としてのアンカー効果が、吸着エネルギーの差に影響を受けることを発明者らは見出した。すなわち、貴金属粒子２の第１の化合物３への吸着エネルギーEaが、貴金属粒子２の第２の化合物４への吸着安定化エネルギーEbよりも小さいことにより、貴金属粒子２が、第２の化合物４に移動するのを抑制することができ、これにより、貴金属粒子２が凝集するのをいっそう抑制することができる。
【００２９】
より好ましくは、貴金属粒子２の第１の化合物３への吸着エネルギーEaと、貴金属粒子２の第２の化合物４への吸着安定化エネルギーEbとの差（Eb−Ea）が、10.0cal/molを超えることである。この吸着エネルギー差が10.0cal/molを超えることにより、貴金属粒子２が、第２の化合物４に移動するのをより確実に抑制することができ、第１の化合物３の機能としてのアンカー効果が、更に発揮される。
【００３０】
なお、貴金属粒子２の第１の化合物３への吸着安定化エネルギーEaや、貴金属粒子２の第２の化合物４への吸着安定化エネルギーEbは、いずれも密度汎関数法を用いたシミュレーションにより算出することができる。この密度汎関数法は、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ある。その原理は、系の基底状態の全エネルギーを電子密度汎関数法で表すことができるという数学的定理に基づいており、結晶の電子状態を計算する手法として信頼性が高い。本発明の触媒構造を設計するにあたり、第１の化合物３及び第２の化合物４への貴金属成分の吸着エネルギーの差を実際測定することは難しく、所望の吸着エネルギーが得られる組み合わせを予測するための手法が必要となる。ここで、密度汎関数法は、酸化物等からなる第１の化合物３や第２の化合物４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おり、実際にシミュレーション値を基に選択した貴金属と化合物の組み合わせを基に設計した、本実施形態の触媒構造は、貴金属の粗大化が生じず、高温耐久後も高い浄化性能を維持することが確認されている。このような密度汎関数法を用いたシミュレーションのための解析ソフトウェアは市販されており、解析ソフトの計算条件の一例として以下に示す。
【００３１】
プリ／ポスト：Materials studio3.2 (Accelrys社)、ソルバ：DMol3 (Accelrys社)、温度：絶対零度、近似：GGA近似。
【００３２】
次に、貴金属粒子２と、この貴金属粒子２を担持する第１の化合物３とからなる複合粒子は、その複合粒子のサイズ（複合粒子の平均粒径）Ｄａと、この複合粒子を内包する第２の化合物４に形成されている細孔の平均細孔径Ｄｂとが、次の不等式Ｄｂ＜Ｄａの関係を満たすことが好ましい。不等式Ｄｂ＜Ｄａは、貴金属粒子２と第１の化合物３とからなる複合粒子のユニットの平均粒径Ｄａが、第２の化合物４に形成されている空隙の平均径Ｄａよりも大きいことを意味している。換言すれば、複合粒子のサイズＤａと平均細孔径Ｄｂの比で表すと、Ｄａ／Ｄｂ＞１であることが好ましい。Ｄａ／Ｄｂ＞１であることにより、貴金属粒子２と第１の化合物３との複合粒子が、第２の化合物４に形成されている細孔を通して移動することが抑制される。したがって、第２の化合物による包接効果の低下が抑制される。この効果は発明者らの実験により確認されている。図７は、複合粒子のサイズＤａと平均細孔径Ｄｂの比Ｄａ／Ｄｂを横軸に、第１の化合物としてのＣｅＯ２の結晶成長比及び排気耐久試験後の貴金属粒子としてのＰｔの表面積を縦軸にして、これらの関係を示すグラフである。図７から、Ｄａ／Ｄｂが１以上である場合に、ＣｅＯ２の結晶成長比が顕著に低下し、すなわち、ＣｅＯ２の焼結が少ないので包接効果が大きく、また、耐久試験後のＰｔの表面積が大きく維持され、すなわち、Ｐｔの凝集が少ないので触媒活性の低下が少ないことが分かる。
【００３３】
次に、貴金属粒子２は｛Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ｝の中から選ばれる少なくとも１つの元素、第１の化合物（アンカー材）３はＣｅを含む酸化物がＯＳＣ能を有すると共に、貴金属粒子２（特にＰｔ）と結合を作りやすいことが知られているので、Ｃｅを含む酸化物、第２の化合物４は｛Ａｌ，Ｚｒ｝の中から選ばれる少なくとも一つの元素の酸化物であることが望ましい。また、Ｃｅを含む酸化物はＣｅＯ２又はＣｅとＺｒの複合酸化物であることが望ましい。また、触媒粉末１は、Ｐｔ−ＣｅＯ２をＡｌ２Ｏ３で被覆したもの、又はＰｔ−ＣｅＺｒＯｘをＡｌ２Ｏ３で被覆したもの、より好ましくは、Ｐｔ−ＣｅＯ２をＺｒＯ２で被覆したものであるとよい。
【００３４】
また、本願発明の発明者らは、貴金属粒子２の平均粒子径が２［ｎｍ］以下である場合、貴金属粒子２自身の移動によって貴金属粒子２のシンタリングが進み、逆に貴金属粒子２の平均粒子径が１０［ｎｍ］以上である場合には、貴金属粒子２と排気ガスの反応性が著しく低下することを知見した。従って、貴金属粒子２の平均粒子径は２［ｎｍ］以上１０［ｎｍ］以下の範囲内にあることが望ましい。
【００３５】
また、本願発明の発明者らは、第１の化合物（アンカー材）３と接触している貴金属粒子２の割合が８０［％］以下であると、第１の化合物（アンカー材）３上に存在しない貴金属粒子２が２０［％］以上になる結果、貴金属粒子２が移動することによって貴金属粒子２のシンタリングが進むことを知見した。従って、貴金属粒子２の８０［％］以上は第１の化合物（アンカー材３）に接触していることが望ましい。
【００３６】
また、図６に示すように、触媒粉末１の中に、｛Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｍｎ｝の中から選ばれる少なくとも１つの元素の遷移金属化合物（ＴＭ）５を含有させてもよい。遷移金属化合物５を形成する元素は貴金属粒子２の働きをさらに引き出す助触媒成分となるので、このような構成によれば、特に低温活性等の触媒性能を大幅に向上させることができる。
【００３７】
また、第２の化合物４の中にＬａを含有させてもよい。ＬａにはＡｌ２Ｏ３やＺｒＯ２の耐久性を向上させる効果があるので、このような構成によれば、Ａｌ２Ｏ３やＺｒＯ２の耐熱性を向上させることができる。また、上記触媒粉末１を含むスラリーを耐火性無機担体にコーティングすることにより排気ガス浄化用触媒を構成してもよい。
【００３８】
次に、本発明の排気ガス浄化用触媒中の触媒粉末の製造方法の実施形態について説明する。図８は、上記触媒粉末の製造方法の説明図である。同図の矢印より左側に図示されるように、まず、第１の化合物３に貴金属粒子２が接触した複合コロイド溶液６を調製する第１の工程を行う。次いで、同図の矢印より右側に図示されるように、この複合コロイド溶液６中の貴金属粒子２が接触した第１の化合物３の周囲に第２の化合物４を形成させる第２の工程を行う。
【００３９】
第１の工程では、複合コロイドを調製することが必要である。複合コロイドを調製することにより、複合コロイド溶液６中で当該複合コロイドが均一に分散するので、貴金属粒子２が接した第１の化合物３同士が、溶液中で凝集することを抑制することができる。
【００４０】
この第１の工程では、後述するようにあらかじめ第１の化合物３を分散用保護材料で包むこともできるし、また、分散用保護材料で包まなくてもよい。また、第１の化合物３に貴金属粒子を接触させる方法は、貴金属粒の還元処理でもよいし、また、他の方法でもよい。
【００４１】
この第１の工程の一例を、図９の説明図を用いて説明する。図８の矢印より左側に図示されるように、まず第１の化合物３を分散用保護材料７で包むことにより第１の化合物のコロイドを調製する。この分散用保護材料７には、高分子化合物を用いることができる。次に、図９の矢印より右側に図示されるように、この分散用保護材料７で包まれた第１の化合物３のコロイドに貴金属を含有する溶液を接触させることにより第１の化合物３に貴金属粒子２が接触した複合コロイドを調製する。分散用保護材料７は、たとえば高分子化合物（ポリマー）や硝酸や酢酸などである。
【００４２】
この第１の工程の別の例を、図１０の説明図を用いて説明する。図１０に示した例では、同図の矢印より左側に図示されるように、まず、第１の化合物３の表面上に貴金属粒子２を担持させる。次に、同図の矢印より右側に図示されるように、この貴金属粒子２を担持させた第１の化合物３を、分散用保護材料７で包むことにより第１の化合物３に貴金属粒子２が接触した複合コロイドを調製する。
【００４３】
第２の工程で第１の化合物３の周囲に第２の化合物４を形成させる方法は、含浸法でもよいし、また、包接法でもよい。
【００４４】
この第２の工程の一例を、図１１の説明図を用いて説明する。同図に図示されるように、まず、第１の工程を経て、分散用保護材料７で包まれた複合コロイドを含む溶液に、第２の化合物の原料を加えることにより、この複合コロイドの周囲に、第２の化合物の前駆体８を形成させる。次いで、この第２の化合物の前駆体８が形成された複合コロイド溶液の固形分を分離して、焼成することにより、第２の化合物の前駆体８を第２の化合物４にする。
【００４５】
本発明に係る排気ガス浄化用触媒中の触媒粉末の製造方法の実施形態を、より具体的に説明する。
【００４６】
上記触媒粉末１は、平均粒子径３０［ｎｍ］以下の第１の化合物（アンカー材）３をＰＶＰ（ポリビニルピロリドン）等の高分子化合物で包むことにより第１の化合物（アンカー材）３のコロイドを調製し、第１の化合物（アンカー材）３のコロイド上に平均粒子径が２［ｎｍ］以上１０［ｎｍ］以下の範囲内にある貴金属塩をエタノール等の還元剤を利用して還元析出させることにより、第１の化合物（アンカー材）３に貴金属粒子２が接触したコロイド水溶液を調製することにより製造するとよい。なお、平均粒子径３０［ｎｍ］以下の第１の化合物（アンカー材）３は、市販品を用いる、又は固相法，液相法，気相法により調製することができる。
【００４７】
また、上記触媒粉末１は、平均粒子径が３０［ｎｍ］以下の第１の化合物（アンカー材）３をＰＶＰ（ポリビニルピロリドン）等の高分子化合物で包むことにより第１の化合物（アンカー材）３のコロイドを調製し、第１の化合物（アンカー材）３のコロイド表面上に平均粒子径が２［ｎｍ］以上１０［ｎｍ］以下の範囲内にある貴金属コロイドを接触させることにより複合コロイド水溶液を調製することにより製造してもよい。
【００４８】
また、上記製造方法において、有機溶媒中にＡＩＰ（アルミニウムイソプロポキシド）やＺＩＰ（ジルコニウムイソプロポキシド）等の第２の化合物４の有機塩を分散させた後、有機溶媒中に調製されたコロイド水溶液を投入することにより有機塩を加水分解する工程を行ってもよい。このような製造方法によれば、コロイドの周囲に酸化物を配置することができる。
【００４９】
また、上記製造方法において、溶媒中に第２の化合物４の原料無機塩を分散させ、溶媒中の無機塩を酸によって解膠した後、溶媒中にコロイド水溶液を投入する工程を行っても良い。なお、第２の化合物４がＡｌの酸化物である場合、上記原料無機塩はベーマイト、Ｚｒの酸化物である場合には、硝酸Ｚｒを用いることが望ましい。このような方法によれば、無機塩は有機塩より安価であるので、より安価にコロイドの周囲に酸化物を配置させることができる。
【００５０】
次に、触媒粉末の製造方法の別の実施形態を説明する。これまで述べてきた触媒粉末の製造方法は、第１の化合物に貴金属粒子が接触した複合コロイド溶液を調製する工程を有していて、例えば、平均粒子径が３０ｎｍ以下の第１の化合物を高分子化合物で包むことにより第１の化合物のコロイドを調製した後、このコロイド上で貴金属塩を還元析出させることにより複合コロイド溶液を調製等をしている。このように複合コロイド溶液を調製する理由は、一般にナノ粒子粉体が、粉末の状態では一次粒子が凝集した二次粒子の集合体となっており、その二次粒子の集合体を液中で第２の化合物の前駆体と混合しても、凝集、分離してしまい、均一に混合することが難しいからである。つまり、二次粒子を高分子化合物で包むことにより、コロイド化し、凝集を抑制することで、第２の化合物の前駆体と混合しても凝集、分離することなく、包接材としての第２の化合物中でアンカー材としての第１の化合物が分散した触媒を得ることが可能である。
【００５１】
この高分子化合物による複合コロイドを用いることなく、第２の化合物の前駆体と混合し、焼成後にアンカー材としての第１の化合物の二次粒子が均一に分散した触媒を得ることができる本実施形態の製造方法は平均一次粒子径３０ｎｍ以下の第１の化合物粒子が凝集している集合体を、二次粒径３００ｎｍ以下まで粉砕又は分散させる工程と、この３００ｎｍ以下の第１の化合物の二次粒子に貴金属粒子を担持させる工程と、この貴金属粒子を担持した第１の化合物の粒子の周囲に第２の化合物を形成する工程とを有する。
【００５２】
本実施形態では、平均一次粒子径３０ｎｍ以下の第１の化合物粒子が凝集して、２μｍ程度の二次粒子径になっている集合体を、二次粒径３００ｎｍ以下、より具体的には１００〜３００ｎｍ程度、一例としては１２０ｎｍにまで粉砕又は分散させる。この粉砕又は分散は、湿式の粉砕機又は分散機を用いることができる。本実施形態に従い、二次粒径３００ｎｍ以下に粉砕又は分散した第１の化合物粒子は、液中で再凝集することなく、貴金属粒子を均一に担持することができる。また、高分子化合物からなる保護材を用いることがなくても、第２の化合物の前駆体と混合したときに、凝集、分離せず、焼成後はアンカー材としての第１の化合物の二次粒子が触媒中に均一に分散した触媒を得ることができる。
【００５３】
また、高分子化合物よりなる保護材を用いて複合コロイド粒子を形成する場合には、焼成時にこの高分子化合物が燃焼して、局所的に高温になることにより、貴金属粒子が凝集し易くなるおそれがある。これに対して、本実施形態の製造方法によれば、高分子化合物よりなる保護材を用いないことから、このような懸念は生じない。また、高分子化合物は高価であるこめ、このような高分子化合物よりなる保護材を用いないことは、コストの低減にも有利である。
【００５４】
平均一次粒子径３０ｎｍ以下の第１の化合物粒子が凝集している集合体を、二次粒径３００ｎｍ以下まで粉砕又は分散させる粉砕機又は分散機は、粒子を３００ｎｍ以下に粉砕又は分散可能なものであれば、任意の装置を用いることができる。具体的には、ビーズミル、高速ホモジナイザー、高圧衝突型粉砕機などである。
【００５５】
粉砕機又は分散機により、粒径３００ｎｍ以下にした第１の化合物の二次粒子に貴金属粒子を担持させる工程は、幾つかの具体的態様がある。
【００５６】
一つの具体的態様は、まず第１の化合物粒子の集合体に、平均粒子径３０ｎｍ以下の貴金属粒子を担持させ、次に、この貴金属が担持された第１の化合物粒子の集合体を、二次粒径３００ｎｍ以下まで粉砕機又は分散機により粉砕又は分散させるものである。この粉砕又は分散により、粒径３００ｎｍ以下にした第１の化合物の二次粒子に貴金属粒子が担持される。この態様によって、第１の化合物の二次粒子を、第２の化合物の前駆体中に均一に分散させることが可能となる。また、この工程を経て得られた触媒粉末のＣＯ吸着率は、貴金属粒子がＰｔの場合で１００[g/m2-メタル]以上を得ることができる。
【００５７】
別の具体的態様は、平均粒子径３０ｎｍ以下の貴金属粒子を、第１の化合物粒子の集合体の粉砕又は分散工程中に当該第１の化合物粒子に担持させるものである。粉砕機又は分散機による第１の化合物粒子の集合体の粉砕又は分散工程の途中で、この粉砕機又は分散機内に貴金属粒子を加えることにより、粒径３００ｎｍ以下にした第１の化合物の二次粒子に貴金属粒子が担持される。この態様によって、粉砕機又は分散機内で第１の化合物が所望の二次粒径になった状態で貴金属粒子を直接的に担持させるため、二次粒径３００ｎｍ以下の第１の化合物の各二次粒子の表面に、貴金属粒子が均一に担持される。その結果、触媒の活性がより向上する。また、この工程を経て得られた触媒粉末のＣＯ吸着率は、貴金属粒子がＰｔの場合で１５０[g/m2-メタル]以上を得ることができる。貴金属粒子を加えるタイミングは、粉砕機又は分散機による第１の化合物粒子の集合体の粉砕又は分散工程の初期段階でも良いし、中期段階でも良いし、終期段階でも良い。所望の第１の化合物の二次粒径に応じて、加えるタイミングを定めればよい。
【００５８】
別の具体的態様は、平均粒子径３０ｎｍ以下の貴金属粒子を、二次粒径３００ｎｍ以下まで粉砕又は分散させた後に当該第１の化合物の二次粒子に担持させるものである。粉砕又は分散を終えた粉砕機又は分散機内で、あるいは粉砕機又は分散機外で、貴金属粒子を二次粒径３００ｎｍ以下の第１の化合物の二次粒子に担持させる。この態様によって、粉砕又は分散によって所望の二次粒径になった状態の第１の化合物に貴金属粒子の担持を行うため、この第１の化合物の各二次粒子の表面に均一に貴金属粒子が担持される。その結果、触媒の活性がより向上する。また、この工程を経て得られた触媒粉末のＣＯ吸着量は、貴金属粒子がＰｔの場合で１５０[g/m2-メタル]以上を得ることができる。
【００５９】
（実施例）
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。
【００６０】
［触媒粉末の製造方法］
始めに、以下の表１及び表２に示す実施例１〜１４、実施例２０〜２５及び比較例１の触媒粉末の製造方法について説明する。
【表１】
【表２】
【００６１】
〔実施例１〕
実施例１では、始めに、水：エタノール＝１：１の混合溶液中に界面活性剤であるポリビニルピロリドンを界面活性剤／溶媒比＝０．１５［mol/L比］となるように混合，攪拌した後、溶液に酢酸Ｃｅを加えて攪拌する。そして、攪拌完了後、溶液にアンモニアを加えてさらに２時間攪拌することによりＣｅコロイド溶液を調製した。次に、Ｃｅコロイド溶液にジニトロジアミンＰｔ塩を加えた後、エタノールを加えて８０［℃］まで昇温することによりＰｔ塩を析出させる。次に、へキシレングリコール溶液中にアルミニウムイソプロポキシドを溶かした後、溶液中にＰｔ塩を投入する。そして、エバポレータ中で溶液を減圧乾燥した後、さらに１２０［℃］の乾燥機中で乾燥させることにより触媒粉末を調製する。そして最後に、４００［℃］の空気中で触媒粉末を焼成することにより実施例１のＰｔ，ＣｅＯ２／Ａｌ２Ｏ３触媒粉末を調製した。
【００６２】
なお、この触媒粉末の組成はＰｔ（0.3wt%），ＣｅＯ２（10%）であった。また、ＴＥＭ観察の結果、Ｐｔ（貴金属）とＣｅＯ２（第１の化合物）の平均粒子径はそれぞれ２．３及び７［ｎｍ］であった。また、ＰｔとＣｅＯ２の接触率は９５［％］であった。なお、本実施例と以下に示す実施例及び比較例においては、接触率は、ＴＥＭ−ＥＤＸを利用して５０点のＥＤＸスポット（５［ｎｍ］）それぞれについてスポット内部に存在する貴金属と第１の化合物の比を測定し、測定結果から縦軸Ｐｔ［atom%］及び横軸Ｃｅ［atom%］の直線の傾きを求めることにより算出した。具体的には、Ｐｔが３［atom%］，Ｃｅが１０［atom%］である場合、ＰｔとＣｅが１００［％］接触していれば傾きは３／１０となるので、直線の傾きが２／１０である場合には接触率は６７［％］（＝｛０．２／０．３｝×１００）となる。
【００６３】
更に、この粉末のアルミナ部分の平均細孔径を測定するため、Pt/CeO2部を抜いて、同様の調製処理を行い、得られた粉末の平均細孔径は、6.2nmであった。したがって、本実施例の粉末のアルミナ部の平均細孔径も同様の数値と考える。
【００６４】
〔実施例２〕
実施例２では、界面活性剤／溶媒比＝０．０７［mol/L比］とした以外は上記実施例１と同様の処理を行うことにより、実施例２のＰｔ，ＣｅＯ２／Ａｌ２Ｏ３触媒粉末を調製した。なお、この触媒粉末では、ＰｔとＣｅＯ２の平均粒子径はそれぞれ２．４及び２８［ｎｍ］であった。また、ＰｔとＣｅＯ２の接触率は９４［％］であった。
【００６５】
〔実施例３〕
実施例３では、界面活性剤／溶媒比＝０．３５［mol/L比］とした以外は上記実施例１と同様の処理を行うことにより、実施例３のＰｔ，ＣｅＯ２／Ａｌ２Ｏ３触媒粉末を調製した。なお、この触媒粉末では、ＰｔとＣｅＯ２の平均粒子径はそれぞれ２．４［ｎｍ］及び１［ｎｍ］以下であった。また、ＰｔとＣｅＯ２の接触率は９６［％］であった。
【００６６】
〔実施例４〕
実施例４では、実施例１において１２０［℃］の乾燥機中で乾燥させることにより調製された触媒粉末を再度水とエタノールの混合溶液中に投入した後、溶液中にジニトロジアミンＰｔ塩を投入する。そして、溶液を８０［℃］まで昇温することによりＰｔを析出させた後、４００［℃］の空気中で焼成することにより実施例４のＰｔ，ＣｅＯ２／Ａｌ２Ｏ３触媒粉末を調製した。なお、この触媒粉末の組成はＰｔ（0.3wt%），ＣｅＯ２（10%）であった。また、エタノールを加えて溶液を８０［℃］まで昇温することにより調製されたＰｔ量と溶液を８０［℃］まで昇温する工程とにより調製されたＰｔ量の比は８：２であった。また、ＴＥＭ観察の結果、ＰｔとＣｅＯ２の平均粒子径はそれぞれ２．４及び７［ｎｍ］であった。また、ＰｔとＣｅＯ２の接触率は８２［％］であった。
【００６７】
〔実施例５〕
実施例５では、エタノールを加えて溶液を８０［℃］まで昇温することにより調製されたＰｔ量と溶液を８０［℃］まで昇温する工程とにより調製されたＰｔ量の比を７：３とした以外は実施例４と同様の処理を行うことにより、実施例５のＰｔ，ＣｅＯ２／Ａｌ２Ｏ３触媒粉末を調製した。なお、この触媒粉末では、ＰｔとＣｅＯ２の平均粒子径はそれぞれ２．４及び７［ｎｍ］であった。また、ＰｔとＣｅＯ２の接触率は７５［％］であった。
【００６８】
〔実施例６〕
実施例６では、酢酸Ｃｅを酢酸Ｃｅ：酢酸Ｚｒ＝２：１の混合塩に変更した以外は実施例１と同様の処理を行うことにより、実施例６のＰｔ，Ｃｅ−Ｚｒ−Ｏｘ／Ａｌ２Ｏ３触媒粉末を調製した。なお、この触媒粉末では、ＰｔとＣｅ−Ｚｒ−Ｏｘの平均粒子径はそれぞれ２．３及び１１［ｎｍ］であった。また、ＰｔとＣｅ−Ｚｒ−Ｏｘの接触率は９３［％］であった。
【００６９】
〔実施例７〕
実施例７では、アルミニウムイソプロポキシドをジルコニウムイソプロポキシドに変更した以外は実施例１と同様の処理を行うことにより実施例７のＰｔ，ＣｅＯ２／ＺｒＯ２触媒粉末を調製した。なお、この触媒粉末では、ＰｔとＣｅＯ２の平均粒子径はそれぞれ２．２及び７［ｎｍ］であった。また、ＰｔとＣｅＯ２の接触率は９４［％］であった。
【００７０】
〔実施例８〕
実施例８では、へキシレングリコール溶液中にＰｔ塩を投入した後にさらに酢酸Ｌａを加えた以外は実施例１と同様の処理を行うことにより、実施例８のＰｔ，ＣｅＯ２／Ａｌ２Ｏ３＋Ｌａ触媒粉末を調製した。なお、この触媒粉末の組成はＰｔ（0.3wt%），ＣｅＯ２（10%），Ｌａ−Ａｌ２Ｏ３（3wt%）であった。また、ＰｔとＣｅＯ２の平均粒子径はそれぞれ２．３及び７［ｎｍ］であった。また、ＰｔとＣｅＯ２の接触率は９４［％］であった。
【００７１】
〔実施例９〕
実施例９では、アルミニウムイソプロポキシドをジルコニウムイソプロポキシドに変更した以外は実施例８と同様の処理を行うことにより実施例９のＰｔ，ＣｅＯ２／ＺｒＯ２＋Ｌａ触媒粉末を調製した。なお、この触媒粉末の組成はＰｔ（0.3wt%），ＣｅＯ２（10%），ＺｒＯ２＋Ｌａ（3wt%）であった。また、ＰｔとＣｅＯ２の平均粒子径はそれぞれ２．２及び７［ｎｍ］であった。また、ＰｔとＣｅＯ２の接触率は９２［％］であった。
【００７２】
〔実施例１０〕
実施例１０では、ジニトロジアミンＰｔ塩を硝酸Ｐｄ塩に変更した以外は実施例１と同様の処理を行うことにより実施例１０のＰｄ，ＣｅＯ２／Ａｌ２Ｏ３触媒粉末を調製した。なお、この触媒粉末では、ＰｄとＣｅＯ２の平均粒子径はそれぞれ３．５及び７［ｎｍ］であった。また、ＰｄとＣｅＯ２の接触率は９１［％］であった。
【００７３】
〔実施例１１〕
実施例１１では、ジニトロジアミンＰｔ塩を硝酸Ｒｈ塩に変更した以外は実施例１と同様の処理を行うことにより実施例１１のＲｈ，ＣｅＯ２／ＺｒＯ２触媒粉末を調製した。なお、この触媒粉末では、ＲｈとＣｅＯ２の平均粒子径はそれぞれ２．１及び７［ｎｍ］であった。また、ＲｈとＣｅＯ２の接触率は９２［％］であった。
【００７４】
〔実施例２０〕
実施例２０では、界面活性剤／溶媒比＝０．０４［mol/L比］とした以外は上記実施例１と同様の処理を行うことにより、実施例２０のＰｔ，ＣｅＯ２／Ａｌ２Ｏ３触媒粉末を調製した。なお、この触媒粉末では、ＰｔとＣｅＯ２の平均粒子径はそれぞれ２．３及び３５［ｎｍ］であった。また、ＰｔとＣｅＯ２の接触率は９４［％］であった。
【００７５】
〔実施例２１〕
実施例２１では、Ｐｔ塩を析出させる際にエタノールを入れない以外は上記実施例１と同様の処理を行うことにより、実施例２１のＰｔ，ＣｅＯ２／Ａｌ２Ｏ３触媒粉末を調製した。なお、この触媒粉末では、ＰｔとＣｅＯ２の平均粒子径はそれぞれ１．５［ｎｍ］以下及び７［ｎｍ］であった。また、ＰｔとＣｅＯ２の接触率は９４［％］であった。
【００７６】
〔実施例２２〕
実施例２２では、Ｃｅコロイド溶液の調製の代わりに市販のセリアコロイドゾル水溶液を用い、貴金属析出工程を行わない以外は上記実施例１と同様の処理を行うことにより、実施例２２のＰｔ，ＣｅＯ２／Ａｌ２Ｏ３触媒粉末を調製した。なお、この触媒粉末では、ＰｔとＣｅＯ２の平均粒子径はそれぞれ１．５［ｎｍ］以下及び４８［ｎｍ］であった。また、ＰｔとＣｅＯ２の接触率は９５［％］であった。
【００７７】
〔実施例２３〕
実施例２３では、平均粒子径が50ｎｍの市販のナノセリア粉末に、ジニトロジアミンＰｔ水溶液を含浸担持し、一旦乾燥、焼成後、Ｐｔ（0．3％）／セリア粉末を得た。得られた粉末を一旦、イオン交換水に投入し、超音波を照射し、懸濁させながら、界面活性剤として、ポリビニルピロリドンを投入し、均一になるまで、攪拌混合を行った。このようにして、セリアの平均粒子径が、50ｎｍの粉末分散コロイド溶液を得た。一方、所定量のベーマイト粉末と、硝酸セリウム、酢酸および、イオン交換水をロータリーエバポレータに付属のナス型フラスコに投入し、一旦攪拌した後、上記コロイド溶液を滴下した。その後、ナス型フラスコをオイルバスにセットし、８０℃で、真空乾燥させた。その後、４００℃まで、徐々に昇温した後、１時間、空気気流中で焼成して、実施例２３の触媒粉末を得た。なお、この触媒粉末では、ＰｔとＣｅＯ２の平均粒子径はそれぞれ１．５［ｎｍ］以下及び５０［ｎｍ］であった。また、ＰｔとＣｅＯ２の接触率は９４［％］であった。
【００７８】
〔実施例２４〕
実施例２４では、ボールミルにて粉砕した平均粒子径２．５μｍのＣｅＯ２を、溶液に加えたＣｅコロイド溶液を調製し、還元処理を経ないでＰｔを担持させた以外は上記実施例１と同様の処理を行うことにより、実施例２４のＰｔ，ＣｅＯ２／Ａｌ２Ｏ３触媒粉末を調製した。なお、この触媒粉末では、ＰｔとＣｅＯ２の平均粒子径はそれぞれ１．５［ｎｍ］以下及び２５００［ｎｍ］であった。また、ＰｔとＣｅＯ２の接触率は８２［％］であった。
【００７９】
〔実施例２５〕
実施例２５では、界面活性剤／溶媒比＝０．００１５［mol/L比］として調製したＣｅコロイド溶液に、貴金属担持濃度を３．０％とし、還元処理を経ないでＰｔを担持させた以外は上記実施例１と同様の処理を行うことにより、実施例２５のＰｔ，ＣｅＯ２／Ａｌ２Ｏ３触媒粉末を調製した。なお、この触媒粉末では、ＰｔとＣｅＯ２の平均粒子径はそれぞれ１．５［ｎｍ］以下及び５００［ｎｍ］であった。また、ＰｔとＣｅＯ２の接触率は７３［％］であった。
【００８０】
〔比較例１〕
比較例１では、活性アルミナに硝酸Ｃｅ水溶液を含浸担持し、１２０℃で乾燥後、４００℃で空気気流中１時間焼成することで、ＣｅＯ２担持アルミナ粉末を得た。この粉末に更にジニトロジアミンＰｔ水溶液を含浸担持し、比較例１の触媒粉末を得た。この粉末の；Ｐｔ量は０．３ｗｔ％、ＣｅＯ２量は１０％である。なお、この触媒粉末では、ＰｔとＣｅＯ２の平均粒子径はそれぞれ１．５［ｎｍ］以下及び６００［ｎｍ］であった。また、ＰｔとＣｅＯ２の接触率は１１［％］であった。
【００８１】
〔実施例１２〕
実施例１２では、始めに、水：エタノール＝１：１の混合溶液中に界面活性剤であるポリビニルピロリドンを界面活性剤／溶媒比＝０．１５［mol/L比］となるように混合，攪拌した後、溶液に酢酸Ｃｅを加えて攪拌する。そして、攪拌完了後、溶液にアンモニアを加えてさらに２時間攪拌することによりＣｅコロイド溶液を調製した。次に、Ｃｅコロイド溶液にジニトロジアミンＰｔ塩を加えた後、エタノールを加えて８０［℃］まで昇温することによりＰｔ塩を析出させる。次に、水中にベーマイトを分散させた後、酢酸を投入することによりｐＨ＝４とした状態でベーマイトを解膠させる。そして、ベーマイトが解膠した水中にＰｔ塩を投入した後、１２０［℃］の乾燥機中で乾燥させることにより触媒粉末を調製する。そして最後に、４００［℃］の空気中で触媒粉末を焼成することにより実施例１２のＰｔ，ＣｅＯ２／Ａｌ２Ｏ３触媒粉末を調製した。なお、この触媒粉末の組成はＰｔ（0.3wt%），ＣｅＯ２（10%）であった。また、ＰｔとＣｅＯ２の平均粒子径はそれぞれ２．４及び７［ｎｍ］であった。また、ＰｔとＣｅＯ２の接触率は９６［％］であった。
【００８２】
〔実施例１３〕
実施例１３では、始めに、水：エタノール＝１：１の混合溶液中に界面活性剤であるポリビニルピロリドンを界面活性剤／溶媒比＝０．１５［mol/L比］となるように混合，攪拌した後、溶液に酢酸Ｃｅを加えて攪拌する。そして、攪拌完了後、溶液にアンモニアを加えてさらに２時間攪拌することによりＣｅコロイド溶液を調製し、さらにＣｅコロイド溶液に平均粒子径２［ｎｍ］のＰｔコロイドを加えることによりＰｔ塩を析出させた。次に、へキシレングリコール溶液中にアルミニウムイソプロポキシドを溶かした後、溶液中にＰｔ塩を投入する。そして、エバポレータ中で溶液を減圧乾燥した後、さらに１２０［℃］の乾燥機中で乾燥させることにより触媒粉末を調製する。そして最後に、４００［℃］の空気中で触媒粉末を焼成することにより実施例１３のＰｔ，ＣｅＯ２／Ａｌ２Ｏ３触媒粉末を調製した。なお、この触媒粉末の組成はＰｔ（0.3wt%），ＣｅＯ２（10%）であった。また、ＰｔとＣｅＯ２の平均粒子径はそれぞれ２．２及び７［ｎｍ］であった。また、ＰｔとＣｅＯ２の接触率は８２［％］であった。
【００８３】
〔実施例１４〕
実施例１４では、始めに、水：エタノール＝１：１の混合溶液中に界面活性剤であるポリビニルピロリドンを界面活性剤／溶媒比＝０．１５［mol/L比］となるように混合，攪拌した後、溶液に酢酸Ｃｅを加えて攪拌する。そして、攪拌完了後、溶液にアンモニアを加えてさらに２時間攪拌することによりＣｅコロイド溶液を調製し、さらにＣｅコロイド溶液に平均粒子径２［ｎｍ］のＰｔコロイドを加える。次に、水中にベーマイトを分散させた後、酢酸を投入することによりｐＨ＝４とした状態でベーマイトを解膠させた。そして、ベーマイトが解膠した水中にＰｔ塩を投入した後、１２０［℃］の乾燥機中で乾燥させることにより触媒粉末を調製する。そして最後に、４００［℃］の空気中で触媒粉末を焼成することにより実施例１２のＰｔ，ＣｅＯ２／Ａｌ２Ｏ３触媒粉末を調製した。なお、この触媒粉末の組成はＰｔ（0.3wt%），ＣｅＯ２（10%）であった。なお、この触媒粉末では、ＰｔとＣｅＯ２の平均粒子径はそれぞれ２．２及び７［ｎｍ］であった。また、ＰｔとＣｅＯ２の接触率は８４［％］であった。
【００８４】
［排気ガス浄化用触媒の製造方法］
次に、実施例１及び比較例１の触媒粉末を用いた排気ガス浄化用触媒の実施例１５〜１９、比較例２について説明する。
【００８５】
〔実施例１５〕
実施例１５では、実施例１の触媒粉末１８０［ｇ］，アルミナゾル２０［ｇ］，水２９０［ｇ］，及び硝酸１０［ｇ］を磁性ボールミルに投入し、混合粉砕することにより触媒スラリーを調製した。そして、触媒スラリーをコーデェライトモノリス担体（０．１２Ｌ，４００セル）に付着させ、空気流によってセル内の余剰スラリーを取り除き、１３０［℃］で乾燥させた後、４００［℃］で１時間焼成することにより、コート層１００［ｇ／Ｌ］の実施例１５の排気ガス浄化用触媒を調製した。
【００８６】
〔実施例１６〕
実施例１６では、実施例１５の触媒に硝酸Ｆｅを含浸することにより実施例１６の排気ガス浄化用触媒を調製した。
【００８７】
〔実施例１７〕
実施例１７では、硝酸Ｆｅを硝酸Ｃｏに変更した以外は実施例１６と同様の処理を行うことにより実施例１７の排気ガス浄化用触媒を調製した。
【００８８】
〔実施例１８〕
実施例１８では、硝酸Ｆｅを硝酸Ｎｉに変更した以外は実施例１６と同様の処理を行うことにより実施例１８の排気ガス浄化用触媒を調製した。
【００８９】
〔実施例１９〕
実施例１９では、硝酸Ｆｅを硝酸Ｍｎに変更した以外は実施例１６と同様の処理を行うことにより実施例１９の排気ガス浄化用触媒を調製した。
【００９０】
〔比較例２〕
比較例２では、実施例１の触媒粉末の代わりに比較例１の触媒粉末を用いた以外は実施例１５と同様の処理を行うことにより比較例２の排気ガス浄化用触媒を調製した。
【００９１】
〔実施例２６〕
実施例２６では、始めに、水：エタノール＝１：１の混合溶液中に界面活性剤であるポリビニルピロリドンを界面活性剤／溶媒比＝０．１５［mol/L比］となるように混合，攪拌した後、溶液に酢酸Ｃｅを加えて攪拌する。そして、攪拌完了後、溶液にアンモニアを加えてさらに２時間攪拌することによりＣｅコロイド溶液を調製した。次に、Ｃｅコロイド溶液にジニトロジアミンＰｔ塩を加えた後、エタノールを加えて８０［℃］まで昇温することによりＰｔ塩を析出させる。
【００９２】
一方、ベーマイトを分散させた水溶液中に、上記コロイド溶液を投入する。そして、エバポレータ中で溶液を減圧乾燥した後、さらに１２０［℃］の乾燥機中で乾燥させることにより触媒粉末を調製する。そして最後に、４００［℃］の空気中で触媒粉末を焼成することにより実施例２６のＰｔ，ＣｅＯ２／Ａｌ２Ｏ３触媒粉末を調製した。
【００９３】
なお、この触媒粉末の組成はＰｔ（0.3wt%），ＣｅＯ２（10%）であった。この触媒粉末では、ＰｔとＣｅＯ２の平均粒子径はそれぞれ１．５［ｎｍ］以下及び５０［ｎｍ］であった。また、ＰｔとＣｅＯ２の接触率は９４［％］であった。また、ＴＥＭ観察の結果、Ｐｔ（貴金属）とＣｅＯ２（化合物Ａ）の平均粒子径はそれぞれ２．３及び７［ｎｍ］であった。また、ＰｔとＣｅＯ２の接触率は９５［％］であった。
【００９４】
更に、この粉末のアルミナ部分の平均細孔径を測定するため、Pt/CeO2部を抜いて、同様の調製処理を行い、得られた粉末の平均細孔径は、20.6nmであった。従って、本実施例の粉末のアルミナ部の平均細孔径も同様の数値と考える。
【００９５】
〔実施例２７〕
実施例２７では、平均粒子径が101ｎｍの市販のナノセリア粉末に、ジニトロジアミンＰｔ水溶液を含浸担持し、一旦乾燥、焼成後、Ｐｔ（0．3％）／セリア粉末を得た。得られた粉末を一旦、イオン交換水に投入し、超音波を照射し、懸濁させながら、界面活性剤として、ポリビニルピロリドンを投入し、均一になるまで、攪拌混合を行った。このようにして、セリアの平均粒子径が、101ｎｍの粉末分散コロイド溶液を得た。
【００９６】
一方、ベーマイトを分散させた水溶液中に、上記コロイド溶液を投入する。そして、エバポレータ中で溶液を減圧乾燥した後、さらに１２０［℃］の乾燥機中で乾燥させることにより触媒粉末を調製する。そして最後に、４００［℃］の空気中で触媒粉末を焼成することにより実施例２７のＰｔ，ＣｅＯ２／Ａｌ２Ｏ３触媒粉末を調製した。
【００９７】
なお、この触媒粉末の組成はＰｔ（0.3wt%），ＣｅＯ２（10%）であった。また、ＴＥＭ観察の結果、ＰｔとＣｅＯ２の平均粒子径はそれぞれ１．５［ｎｍ］以下及び101［ｎｍ］であった。また、ＰｔとＣｅＯ２の接触率は９４［％］であった。
【００９８】
更に、この粉末のアルミナ部分の平均細孔径を測定するため、Pt/CeO2部を抜いて、同様の調製処理を行い、得られた粉末の平均細孔径は、6.2nmであった。従って、本実施例の粉末のアルミナ部の平均細孔径も同様の数値と考える。
【００９９】
〔実施例２８〕
実施例２８では、平均粒子径が101ｎｍの市販のナノセリア粉末に、ジニトロジアミンＰｔ水溶液を含浸担持し、一旦乾燥、焼成後、Ｐｔ（0．3％）／セリア粉末を得た。得られた粉末を一旦、イオン交換水に投入し、超音波を照射し、懸濁させながら、界面活性剤として、ポリビニルピロリドンを投入し、均一になるまで、攪拌混合を行った。このようにして、セリアの平均粒子径が、101ｎｍの粉末分散コロイド溶液を得た。
【０１００】
一方、ベーマイトを分散させた水溶液中に、上記コロイド溶液を投入する。そして、エバポレータ中で溶液を減圧乾燥した後、さらに１２０［℃］の乾燥機中で乾燥させることにより触媒粉末を調製する。そして最後に、４００［℃］の空気中で触媒粉末を焼成することにより実施例２８のＰｔ，ＣｅＯ２／Ａｌ２Ｏ３触媒粉末を調製した。
【０１０１】
なお、この触媒粉末の組成はＰｔ（0.3wt%），ＣｅＯ２（10%）であった。また、ＴＥＭ観察の結果、ＰｔとＣｅＯ２の平均粒子径はそれぞれ１．５［ｎｍ］以下及び101［ｎｍ］であった。また、ＰｔとＣｅＯ２の接触率は９４［％］であった。
【０１０２】
更に、この粉末のアルミナ部分の平均細孔径を測定するため、Pt/CeO2部を抜いて、同様の調製処理を行い、得られた粉末の平均細孔径は、20.6nmであった。従って、本実施例の粉末のアルミナ部の平均細孔径も同様の数値と考える。
【０１０３】
〔実施例２９〕
実施例２９は、排気ガス浄化用触媒を製造するにあたり、第１の化合物の二次粒子の集合体を、分散機を用いて分散させることにより、複合コロイド溶液を調製することなく製造した例であり、なかでも、貴金属粒子を第１の化合物の二次粒子の集合体に担持させた後に、分散機により分散させた例である。
【０１０４】
まず、Pt粒子を第１の化合物であるCeO2の微細二次粒子に担持させるために、Ce−Zr−Ox化合物粉末を水中に分散させ、ジニトロジアミンＰｔ硝酸酸性溶液を滴下し、攪拌した。次いで、蒸発乾固の後に400℃で1時間の空気気流中で焼成した。焼成された粉末は、貴金属粒子と第１の化合物の二次粒子の集合体であり、平均粒径は２μｍであった。
【０１０５】
得られた粉末を市販のビーズミル（ビーズ径0.3mm）によって分散させ、平均粒径を120nmとした。
【０１０６】
分散させた二次粒子を含むスラリと、予め硝酸溶液で解膠したベーマイトスラリとを混合し、ホモジナイザ等で強力に攪拌した。攪拌後のスラリをスプレードライ等により乾燥させた。
【０１０７】
乾燥させた粉末を550℃で3時間、空気気流中で焼成しPt／CeO2／Al2O3触媒を得た。
【０１０８】
〔実施例３０〕
実施例３０は、実施例２９と同様に、排気ガス浄化用触媒を製造するにあたり、第１の化合物の二次粒子の集合体を、分散機を用いて分散させることにより、複合コロイド溶液を調製することなく製造した例であり、なかでも、第１の化合物の二次粒子の集合体を分散させた後に、貴金属粒子を担持させた例である。
【０１０９】
まず、Ce−Zr−Ox化合物粉末を水中に分散させ、市販のビーズミル（ビーズ径0.3mm）にて120nm程度に分散させた。次に、このビーズミル内にジニトロジアミンＰｔ硝酸酸性溶液を滴下し、さらに分散を行った。
【０１１０】
分散させた二次粒子を含むスラリと、予め硝酸溶液で解膠したベーマイトスラリとを混合し、ホモジナイザ等で強力に攪拌した。攪拌後のスラリをスプレードライ等により乾燥させた。
【０１１１】
乾燥させた粉末を550℃で3時間、空気気流中で焼成しPt／CeO2／Al2O3触媒を得た。
【０１１２】
〔実施例３１〕
実施例３１は、実施例３０と同様に、排気ガス浄化用触媒を製造するにあたり、第１の化合物の二次粒子の集合体を、分散機を用いて分散させることにより、複合コロイド溶液を調製することなく製造した例であり、また、第１の化合物の二次粒子の集合体を分散させた後に、貴金属粒子を担持させた例である。かつ、この貴金属粒子の担持を、分散機外で行った例である。
【０１１３】
まず、Ce−Zr−Ox化合物粉末を水中に分散させ、市販のビーズミル（ビーズ径0.3mm）にて120nm程度に分散させた。分散させたのち、スラリをビーカに移し攪拌を続けた。このビーカにジニトロジアミンＰｔ硝酸酸性溶液を滴下し、さらに攪拌を続けた。
【０１１４】
分散させた二次粒子を含むスラリと、予め硝酸溶液で解膠したベーマイトスラリとを混合し、ホモジナイザ等で強力に攪拌した。攪拌後のスラリをスプレードライ等により乾燥させた。
【０１１５】
乾燥させた粉末を550℃で3時間、空気気流中で焼成しPt／CeO2／Al2O3触媒を得た。
【０１１６】
〔実施例３２〕
実施例３２は、実施例２９と同様に、排気ガス浄化用触媒を製造するにあたり、第１の化合物の二次粒子の集合体を、分散機を用いて分散させることにより、複合コロイド溶液を調製することなく製造した例であり、なかでも、第１の化合物の二次粒子の集合体を分散させる前に、貴金属粒子を分散機に加えて、分散機内で第１の化合物を分散させながら貴金属粒子を担持させた例である。
【０１１７】
まず、Zr−La−Ox化合物粉末を水中に分散させ、市販のビーズミル（ビーズ径0.3mm）に投入した。また、ジニトロジアミンＰｔ硝酸酸性溶液を同様にビーズミルに加え、ビーズミル内で分120nm程度に分散を行った。
【０１１８】
分散させた二次粒子を含むスラリと、予め硝酸溶液で解膠したベーマイトスラリとを混合し、ホモジナイザ等で強力に攪拌した。攪拌後のスラリをスプレードライ等により乾燥させた。
【０１１９】
乾燥させた粉末を550℃で3時間、空気気流中で焼成しPt／CeO2／Al2O3触媒を得た。
【０１２０】
［耐久試験］
次に、実施例１〜３２及び比較例１〜２の排気ガス浄化用触媒それぞれについて、耐久試験を行った結果を説明する。
【０１２１】
〔試験方法〕
上記実施例１〜１４、実施例２０〜２５、実施例２９〜３２及び比較例１の触媒粉末については、９００［℃］の大気雰囲気炉中で触媒粉末を３時間焼成する耐久試験を行い、耐久試験後の貴金属粒子の平均粒子径をＴＥＭを用いて測定した。また、実施例１５〜１９及び比較例２の排気ガス浄化用触媒については、排気量３５００［ｃｃ］のエンジンの排気系に実施例１５〜１９及び比較例２の排気ガス浄化用触媒を装着し、入口温度を８００［℃］として３０時間エンジンを稼働させる耐久試験を行った後、排気ガス浄化用触媒を模擬排気ガス流通装置に組み込み、以下の表３に示す組成の模擬排気ガスを流通させ、４００［℃］における入口側及び出口側のＨＣ濃度から実施例１５〜１９及び比較例２の排気ガス浄化用触媒それぞれの４００［℃］におけるＨＣ浄化率（ηＨＣ）［％］を算出した。
【表３】
【０１２２】
〔試験結果〕
上記耐久試験の結果を表１，２及び表４に示す。
【表４】
【０１２３】
表１，２から明らかなように、比較例１の触媒粉末では、耐久試験前後で貴金属の平均粒子径が大きく変化（増加）しているのに対して、実施例１〜１４、実施例２０〜２５の触媒粉末では、耐久試験前後で貴金属の平均粒子径は大きく変化していない。また、表４から明らかなように、比較例２の排気ガス浄化用触媒では、耐久試験残後でＨＣ転化率が大幅に低下しているのに対して、実施例１５〜１９の排気ガス浄化用触媒では、耐久試験前後でＨＣ転化率は大幅に低下していない。このことから、本実施例の触媒粉末及び排気ガス浄化用触媒によれば、第１の化合物による貴金属粒子の活性向上効果を維持できることが知見される。
【０１２４】
また、実施例５の触媒粉末のように第１の化合物と接触している貴金属の割合が８０［％］以下であると、他の実施例と比較して貴金属のシンタリングが進んでいる。このことから、第１の化合物による貴金属の活性向上効果をより維持するためには、貴金属の８０［％］以上は第１の化合物に接触していることが望ましいことがわかる。
【０１２５】
また、実施例１６〜１９の排気ガス浄化用触媒のように排気ガス浄化用触媒の中に｛Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｍｎ｝の中から選ばれる少なくとも１つの元素の化合物を含有させた場合には、実施例１５の排気ガス浄化用触媒のように含有させない場合と比較して耐久試験前後のＨＣ転化率の低下率が低い。このことから、第１の化合物による貴金属の活性向上効果をより維持するためには、排気ガス浄化用触媒の中に｛Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｍｎ｝の中から選ばれる少なくとも１つの元素の化合物を含有させることが望ましいことがわかる。
【０１２６】
また、実施例８及び実施例９の触媒粉末のように第２の化合物の中にＬａを含有させた場合には、させない場合と比較して耐久試験前後の貴金属粒子径の変化量が小さい。このことから、第１の化合物による貴金属の活性向上効果をより維持するためには、第２の化合物の中にＬａを含有させた方がよいことがわかる。
【０１２７】
また、実施例１５、実施例２６〜２８について、貴金属粒子を担持した第１の化合物の複合粒子の平均粒径Ｄａと、第２の化合物に形成されている細孔の平均細孔径Ｄｂと、この複合粒子のサイズＤａと平均細孔径Ｄｂの比と、耐久試験後の第２の化合物の結晶成長性と、ηＨＣとを調べた。
【０１２８】
二次粒子の平均細孔径の測定は、島津製作所製のASAP2120を用いた。前処理として３００℃に加熱して脱ガス処理し、１μｍＨｇになるまで真空脱気して吸着水を除去した。また、測定とは、Ｎ２吸着法により行った。
【０１２９】
また、結晶成長性の測定は、耐久試験前後のサンプルをそれぞれＸＲＤにより測定し、各々のＣｅＯ２の結晶子の径について、結晶成長＝（耐久試験後の結晶子径）／（初期結晶子径）の式により算出した。装置はマックスサイエンス社製のＸ線回折装置（ＭＸＰ１８ＶＡＨＦ）、測定条件は、Ｘ線波長がＣｕＫα、連続法により、５°〜９０°測定範囲で、サンプリング間隔０．０２、スキャン速度４°／ｍｉｎ、電圧４０ｋＶ、電流３００ｍＡ、発散スリット１．０°、散乱スリット１．０°、受光スリット０．３ｍｍで行った。
【０１３０】
これらの測定結果を表５に示す。
【表５】
【０１３１】
表５から、実施例１５及び実施例２６〜２８はいずれも、比較例２と比較して、ηＨＣに優れていることがわかる。なかでも、Ｄａ／Ｄｂの比が１０以上である実施例１５、実施例２７及び実施例２８は、第１の化合物の移動及び凝集が抑制されることから、第２の化合物の結晶成長性が小さく、より優れた排ガス浄化特性を有している。
【０１３２】
次に、実施例２９〜３２に従って製造された触媒粉末の初期粒子径と、耐久試験後の貴金属粒子の粒子径について測定した結果を表６に示す。
【表６】
【０１３３】
表６から、実施例２９〜３２に従って製造された触媒粉末についても、耐久試験後の貴金属粒子の粒径が小さく、つまり、凝集が抑制されている。この結果、優れた排気ガスの浄化性能を具備している。
【０１３４】
また、実施例２９〜３２に従って製造された触媒粉末について、ＣＯ吸着量の測定を行い、実施例２９については吸着量が１００[g/m2-メタル]以上、実施例３０〜３２については１５０[g/m2-メタル]以上であることが確認された。このＣＯ吸着量の測定結果から、実施例２９〜３２の触媒粉末は、貴金属粒子が、第１の化合物上に分散して担持されていて、すなわち、凝集が抑制されていることが判明した。
【０１３５】
なお、このＣＯ吸着量の測定は、装置として日本ベル株式会社の、BEL-METAL-3を用い、前処理条件として、まずＨｅが１００％のガス気流中、１０℃／分で４００℃まで昇温し、次いで４００℃において、Ｏ２が１００％のガス気流中、１５分間酸化処理し、次いで、Ｈｅが１００％のガスにて５分間パージし、次いで４００℃において、Ｈ２が４０％で残部がＨｅのガス気流中、１５分間還元処理し、次いでＨｅが1００％のガス気流中、５０℃まで降温させた。ＣＯ吸着量測定として、ＣＯが１０％で残部がＨｅのガスをパルス的に流入させ、Ｐｔの場合には単位吸着量（ｃｍ３／ｇ）＝総吸着量／試料重量から、ＣＯ吸着量（g/m2-メタル）=単位吸着量×２１４．９４／Ｐｔ担持量（ｗｔ％）として求めたものである。
【０１３６】
以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。
【符号の説明】
【０１３７】
１ 触媒粉末
２ 貴金属粒子（ＰＭ）
３ 第１の化合物（アンカー材）
４ 第２の化合物（包接材）
５ 遷移金属化合物（ＴＭ）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関と、
前記内燃機関の排気系に装着された排気ガス浄化用触媒と、
を備えた内燃機関用排気ガス浄化システムにおいて、
前記排気ガス浄化用触媒は、触媒粉末と、触媒粉末を保持するハニカム担体と、を備え、
前記触媒粉末は、触媒活性を有する貴金属粒子と、前記貴金属粒子と接触して貴金属粒子の移動を抑制する化合物としてのアンカー材と、前記貴金属粒子と前記アンカー材との複合粒子の単体又は集合体を内包する化合物としての包接材と、からなるユニットを複数有し、
前記包接材は、アンカー材が包接材により隔てられた区画を超えて他のユニットのアンカー材と接触するのを抑制し、
前記貴金属粒子及び前記アンカー材からなる複合粒子のサイズＤａと、前記包接材の平均細孔径Ｄｂとが、Ｄｂ＜Ｄａである、
ことを特徴とする内燃機関用排気ガス浄化システム。
【請求項２】
前記貴金属粒子の前記アンカー材への吸着エネルギＥａと、前記貴金属粒子の前記包接材への吸着エネルギＥｂとが、Ｅａ＜Ｅｂであることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用排気ガス浄化システム。
【請求項１】
内燃機関と、
前記内燃機関の排気系に装着された排気ガス浄化用触媒と、
を備えた内燃機関用排気ガス浄化システムにおいて、
前記排気ガス浄化用触媒は、触媒粉末と、触媒粉末を保持するハニカム担体と、を備え、
前記触媒粉末は、触媒活性を有する貴金属粒子と、前記貴金属粒子と接触して貴金属粒子の移動を抑制する化合物としてのアンカー材と、前記貴金属粒子と前記アンカー材との複合粒子の単体又は集合体を内包する化合物としての包接材と、からなるユニットを複数有し、
前記包接材は、アンカー材が包接材により隔てられた区画を超えて他のユニットのアンカー材と接触するのを抑制し、
前記貴金属粒子及び前記アンカー材からなる複合粒子のサイズＤａと、前記包接材の平均細孔径Ｄｂとが、Ｄｂ＜Ｄａである、
ことを特徴とする内燃機関用排気ガス浄化システム。
【請求項２】
前記貴金属粒子の前記アンカー材への吸着エネルギＥａと、前記貴金属粒子の前記包接材への吸着エネルギＥｂとが、Ｅａ＜Ｅｂであることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用排気ガス浄化システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−５２３９１（Ｐ２０１３−５２３９１Ａ）
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２６４０５５（Ｐ２０１２−２６４０５５）
【出願日】平成２４年１２月３日（２０１２．１２．３）
【分割の表示】特願２００９−１９０５３０（Ｐ２００９−１９０５３０）の分割
【原出願日】平成１８年１０月３１日（２００６．１０．３１）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【出願人】（５０７３０８９０２）ルノー エス．ア．エス． (281)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１２月３日（２０１２．１２．３）
【分割の表示】特願２００９−１９０５３０（Ｐ２００９−１９０５３０）の分割
【原出願日】平成１８年１０月３１日（２００６．１０．３１）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【出願人】（５０７３０８９０２）ルノー エス．ア．エス． (281)
【Ｆターム（参考）】
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