排気ガス浄化用触媒
【課題】触媒金属が凝集しシンタリングすることを抑制するとともに、低温時の排気ガス、特にＮＯｘ及びＨＣの浄化性能を高めることができる排気ガス浄化用触媒を提供する。
【解決手段】ハニカム担体の外周に永久磁石又は磁場発生装置が配設されるとともに、前記ハニカム担体上に形成された触媒層１２に磁性材料１４と触媒金属１３とが含有されてなる排気ガス浄化用触媒は、前記触媒層に、特定の細孔径を有する細孔１６を備えた多孔質材１５が更に含有され、前記磁性材料と前記触媒金属とは、前記多孔質材の前記細孔に共存担持されていることを特徴とする。
【解決手段】ハニカム担体の外周に永久磁石又は磁場発生装置が配設されるとともに、前記ハニカム担体上に形成された触媒層１２に磁性材料１４と触媒金属１３とが含有されてなる排気ガス浄化用触媒は、前記触媒層に、特定の細孔径を有する細孔１６を備えた多孔質材１５が更に含有され、前記磁性材料と前記触媒金属とは、前記多孔質材の前記細孔に共存担持されていることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気ガスを浄化する排気ガス浄化用触媒に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば自動車等の車両においては、ＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）等の大気汚染物質を含んだ排気ガスを浄化するために、排気ガス浄化用触媒がエンジンの排気系に備えられている。そして、かかる排気ガス浄化用触媒を用いて、ＨＣ及びＣＯが酸化されて浄化され、ＮＯｘが還元されて浄化される。
【０００３】
従来、このような排気ガス浄化用触媒として、例えば高比表面積を有するアルミナや酸素吸蔵放出能を有するＣｅＺｒ系複合酸化物などの酸化物担体表面に、例えばＰｔなどの触媒金属を高分散状態で担持させた排気ガス浄化用触媒が用いられ、排気ガスの浄化が行われている。
【０００４】
しかし、前記排気ガス浄化用触媒においては、高温の排気ガスに曝されることにより触媒金属が次第に凝集しシンタリングすることが問題となっている。触媒金属がシンタリングすると、触媒金属の比表面積が低下し触媒金属が失活することにより、排気ガスの浄化性能の低下を招くこととなる。
【０００５】
これに対し、排気ガス浄化用触媒に磁性材料を含有させ触媒金属のシンタリングを抑制することが知られており、例えば特許文献１には、触媒金属粒子に作用する磁力を発生させる強磁性粒子を含む排気ガス浄化用触媒を備えるとともに該排気ガス浄化用触媒の外周に永久磁石帯を備えた排気ガス浄化装置が開示されている。また、例えば特許文献２には、排気ガス浄化用触媒の周辺に磁場を存在させた内燃機関の排ガス浄化装置が開示されている。
【特許文献１】特開２００６ー２９１３８号公報
【特許文献２】特開２００３ー３０１７１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、前記特許文献１では、触媒金属が磁性粒子の磁力によって吸引される排気ガス浄化用触媒が開示されているが、前記排気ガス浄化用触媒では、高温の排気ガスに曝されることにより磁性粒子の磁力が次第にその効力を弱め、所定の浄化性能を得ることができない畏れがある。
【０００７】
また、前記特許文献２では、排気ガス中のＮＯｘが、排気ガス浄化用触媒の周辺に存在する磁場によって除去される排気ガス浄化用触媒が開示されているが、排気ガス浄化用触媒においては、ＮＯｘに加えて、ＨＣについても浄化性能の向上が求められる。特に、エンジン始動時など排気ガスの温度が低い場合には、排気ガス浄化用触媒の浄化性能が十分に発揮されないので、かかる場合における排気ガスの浄化性能の更なる向上が望まれる。
【０００８】
そこで、この発明は、前記技術的課題に鑑みてなされたものであり、触媒金属が凝集しシンタリングすることを抑制するとともに、低温時の排気ガス、特にＮＯｘ及びＨＣの浄化性能を高めることができる排気ガス浄化用触媒を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
このため、本願の請求項１に係る排気ガス浄化用触媒は、ハニカム担体の外周に永久磁石又は磁場発生装置が配設されるとともに、前記ハニカム担体上に形成された触媒層に磁性材料と触媒金属とが含有されてなる排気ガス浄化用触媒であって、前記触媒層に、特定の細孔径を有する細孔を備えた多孔質材が更に含有され、前記磁性材料と前記触媒金属とは、前記多孔質材の前記細孔に共存担持されていることを特徴としたものである。
【００１０】
また、本願の請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、前記多孔質材が、ゼオライト又はメソポーラスシリカであることを特徴としたものである。
【発明の効果】
【００１１】
本願の請求項１に係る排気ガス浄化用触媒によれば、磁性材料と触媒金属とが、触媒層に含有された多孔質材の細孔に共存担持されていることにより、磁性材料が磁力によって触媒金属を吸引し触媒金属の移動を抑制するとともに細孔壁によって細孔間への触媒金属の移動が抑制されるので、触媒金属が凝集しシンタリングすることを抑制することができる。
前記排気ガス浄化用触媒では、低温時の排気ガスに多く含まれる未燃炭化水素（ＨＣ）成分を多孔質材の細孔内にトラップさせるとともに、排気ガス中のＮＯ成分を磁性材料や触媒金属に引き寄せ吸着させることができ、低温時の排気ガス、特にＮＯｘ及びＨＣの浄化性能を高めることができる。かかるＮＯ成分は、排気ガスの温度が上昇すると細孔壁から脱離する前記未燃炭化水素成分（ＨＣ成分）と反応し、還元されてＮ２になるとともにＨＣ成分を酸化浄化させることができる。
【００１２】
また、本願の請求項２の発明によれば、前記多孔質材が、ゼオライト又はメソポーラスシリカであることにより、前記効果を有効に実現し得る多孔質材を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る排気ガス浄化用触媒装置を概略的に示す概略説明図である。図１に示すように、例えば自動車等の車両の排気系には、矢印の方向（図１において右方向）へ流れる排気ガスＧを浄化するための排気ガス浄化用触媒装置１が配設される。
【００１４】
排気ガス浄化用触媒装置１は、排気ガスＧを浄化する触媒層がハニカム担体に形成された排気ガス浄化用触媒１０と、該排気ガス浄化用触媒１０の外周を覆うインターラムマット２０と備えており、前記排気ガス浄化用触媒１０の外周には、具体的にはインターラムマット２０の外周には非磁性耐熱合金製キャニングケース２１を介して永久磁石３０が配設されている。
【００１５】
インターラムマット２０は、例えばセラミックファイバ等から成形されており、排気ガス浄化用触媒１０を保温、及び保持・固定するとともに排気ガスＧからの熱が永久磁石３０に伝熱されることを抑制するように、排気ガス浄化用触媒１０の外周に、具体的にはハニカム担体の外周に巻かれている。また、インターラムマット２０は、前記ハニカム担体を排気ガス浄化用触媒装置１内に保持している。
【００１６】
インターラムマット２０の外周に配設される永久磁石３０としては、例えばＦｅ−Ａｌ−Ｎｉ−Ｃｏ磁石、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃｏ磁石又はＣｕ−Ｎｉ−Ｃｏ磁石等の鋳造磁石、例えばＢａフェライト磁石又はＳｒフェライト磁石等のフェライト磁石、例えばＳｍ−Ｃｏ磁石又はＮｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石等の希土類磁石等を使用することができる。この永久磁石３０は、前記ハニカム担体の外周全体にわたって設けてもよく、あるいは前記ハニカム担体の外周の一部に設けるようにしてもよい。
【００１７】
図２は、本実施形態に係る排気ガス浄化用触媒の要部断面図である。図２に示すように、排気ガス浄化用触媒１０は、例えばコージェライトなどから成形されるハニカム担体１１上に触媒層１２が形成される。本実施形態では、触媒層１２に、触媒金属と磁性材料と多孔質材とが含有されており、触媒金属としてＰｔ、磁性材料としてＦｅ２Ｏ３、多孔質材としてゼオライトが用いられる。また、触媒層１２に、アルミナやＣｅＺｒ系複合酸化物などの酸素吸蔵材を含有させるようにしてもよい。
【００１８】
前記排気ガス浄化用触媒１０の調製に際しては、先ず触媒金属Ｐｔを含む水溶液とＦｅ成分を含む水溶液とを混合し、この混合溶液を多孔質材であるゼオライトに含浸させた後に、例えば２５０℃〜４００℃等の温度に加熱して乾燥させ、該乾燥後に、例えば５００℃の温度に２時間保持する焼成を行うことにより、多孔質材であるゼオライトの細孔に磁性材料Ｆｅ２Ｏ３と触媒金属Ｐｔとが共存担持された触媒粉末が得られる。
【００１９】
次に、前記触媒粉末に、バインダーと水とを混合し、本実施形態ではアルミナ及び酸素吸蔵材を更に混合し、スラリーを調製する。このスラリーにハニカム担体を浸漬させ、前記ハニカム担体を引き上げて余分なスラリーをエアブローにより除去した後に、例えば２５０℃〜４００℃等の温度に加熱して乾燥させ、該乾燥後に、例えば５００℃の温度に２時間保持する焼成を行うことにより、少なくとも触媒金属Ｐｔと多孔質材ゼオライトと磁性材料Ｆｅ２Ｏ３とが含有された触媒層１２がハニカム担体１１上に形成されてなる排気ガス浄化用触媒１０が得られる。
【００２０】
なお、排気ガス浄化用触媒１０では、好ましくは、触媒金属は、例えば０．１〜１．０ｇ／Ｌ程度の範囲で含有され、磁性材料は、例えば１０〜８０ｇ／Ｌ程度の範囲で含有され、多孔質材は、例えば８０〜１５０ｇ／Ｌ程度の範囲で含有される。また、多孔質材は、特定の細孔径を有しており、かかる細孔径としては、好ましくは約０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下程度のサイズを有する。
【００２１】
このようにして得られた排気ガス浄化用触媒１０の外周に、具体的にはハニカム担体１１の外周にインターラムマット２０を巻き、これをキャニングケース２１内に収納し、その外周に永久磁石３０が配設される。なお、排気ガス浄化用触媒１０について、触媒層１２に触媒金属と多孔質材と磁性材料とを含有させる方法は前述した方法に限定されるものではない。
【００２２】
図３は、前記排気ガス浄化用触媒に含有される多孔質材の要部を模式的に示した説明図である。前述したように、本実施形態に係る排気ガス浄化用触媒１０は、ハニカム担体１１に触媒層１２が形成され、該触媒層１２には、触媒金属１３と磁性材料１４とが含有されるとともに多孔質材１５が含有されている。触媒金属１３と磁性材料１４とは、図３に示すように、多孔質材１５の細孔１６に共存担持される。
【００２３】
排気ガス浄化用触媒１０では、排気ガスＧ中に含まれ分子サイズの小さいＮＯ成分が多孔質材１５の細孔１６内に侵入し、該細孔１６内に担持されている磁性材料１４や触媒金属１３に吸引される。これは、ＮＯ成分が常磁性であることによる。かかるＮＯ成分は、磁性材料１４上ではＮＯ２として吸着され、触媒金属１３上ではＮＯ３−として吸着される。これにより、例えばエンジン始動時など、低温状態にある排気ガスＧに含まれるＮＯ成分が大気中に排出されることを抑制することができる。
【００２４】
また、排気ガス浄化用触媒１０では、排気ガスＧ中に含まれる未燃炭化水素（ＨＣ）成分、特にエンジンの始動時など、低温状態にある排気ガスＧ中に多く含まれるベンゼン（Ｃ６Ｈ６）、トルエン（Ｃ６Ｈ５ＣＨ３）又はメタン（ＣＨ４）等のＨＣ成分が、多孔質材１５の細孔壁１７によってトラップされ、低温状態にある排気ガスＧに含まれるＨＣ成分が大気中に排出されることを抑制することができる。
【００２５】
このように、ＨＣ成分が多孔質材１５の細孔壁１７にトラップされＮＯ成分が磁性材料１４や触媒金属１３に吸引された排気ガス浄化用触媒１０では、排気ガスＧの温度が上昇すると、細孔壁１７にトラップされていたＨＣ成分が、細孔壁１７から脱離する。かかるＨＣ成分は、磁性材料１４上に吸着されているＮＯ２及び／又は触媒金属１３上に吸着されているＮＯ３−と反応することにより、前記ＮＯ成分が還元されＮ２として浄化されるとともに前記ＨＣ成分が酸化されＣＯ２として浄化される。
【００２６】
本実施形態では、ハニカム担体１１上に形成される触媒層１２に、多孔質材１５としてゼオライトが含有されているが、かかるゼオライトとして、ＭＦＩ型（ＺＳＭ−５）ゼオライト、β−ゼオライト、Ｙ型ゼオライト等のゼオライトを使用することができる。また、別の多孔質材として、細孔径の比較的大きいメソポーラスシリカなどを用いることも可能である。前記多孔質材について、細孔径及び該細孔径を有する細孔を備えた多孔質材によりトラップされるＨＣ成分の一例を以下の表１に示す。
【００２７】
【表１】
【００２８】
表１に示すように、多孔質材としてＭＦＩ型（ＺＳＭ−５）ゼオライトを使用する際には、例えば細孔径が０．５ｎｍであるものを用いることができ、かかるゼオライトを用いることで、例えばプロピレン（Ｃ３Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）、ｎ−ブタン（ｎ−Ｃ４Ｈ１０）又はｎ−ヘプタン（ｎ−Ｃ７Ｈ１６）などを細孔内にトラップさせることができる。また、β−ゼオライトを使用する際には、例えば細孔の長径が０．７ｎｍであり細孔の短径が０．５５ｎｍであるものを用いることができ、例えばＣ６Ｈ６、イソブタン（ｉｓｏ−Ｃ４Ｈ１０）、Ｃ６Ｈ５ＣＨ３又はシクロヘキサン（Ｃ６Ｈ１２）などを細孔内にトラップさせることができる。また、Ｙ型ゼオライトを使用する際には、例えば細孔径が０．７ｎｍであるものを用いることができ、例えばＣ６Ｈ６、ｉｓｏ−Ｃ４Ｈ１０、Ｃ６Ｈ５ＣＨ３又はシクロヘキサンなどを細孔内にトラップさせることができる。
【００２９】
一方、多孔質材としてメソポーラスシリカを使用する際には、例えば細孔径が２．７ｎｍであるＦＳＭ−１６（豊田中央研究所Ｒ＆Ｄレビュー、Ｖｏｌ．３６、ＮＯ．２、ｐ５７−６２（２００１．６）参照）などを用いることができ、かかるメソポーラスシリカを用いることで、例えば１，３，５−トリエチルベンゼン（Ｃ６Ｈ３（Ｃ２Ｈ５）３）、又は複数のベンゼン環が結合したベンゼン多員環などを細孔内にトラップさせることができる。また、メソポーラスシリカとして、例えば細孔径が８．０〜１０．０ｎｍであるＭＣＭ−４１（豊田中央研究所Ｒ＆Ｄレビュー、Ｖｏｌ．３６、ＮＯ．２、ｐ５７−６２（２００１．６）参照）などを用いることができ、例えばベンゼン多員環などを細孔内にトラップさせることができる。
【００３０】
なお、表１では、多孔質材について、細孔径とトラップ可能なＨＣ成分の一例が示されているが、これに限定されるものではなく、その他の細孔径を有する多孔質材を使用することができ、前記細孔径より小さい分子サイズを有するＨＣ成分を細孔内に捕捉することが可能である。また、多孔質材として、ＨＣ成分をトラップすることができるその他の好適な多孔質材を使用することができる。
【００３１】
本実施形態では、触媒金属としてＰｔが用いられているが、Ｐｄ、Ｒｈなどの触媒金属を用いてもよい。特に、多孔質材の細孔内に排気ガス中のＮＯ成分を酸化状態で吸着させるためには、触媒金属としてＰｔ又はＰｄを用いることが好ましい。また、磁性材料としては、フェライト系材料、具体的にはγ−フェライト（γ−Ｆｅ２Ｏ３）が好ましいが、その他の磁性材料を用いることも可能である。
【００３２】
このように、本実施形態に係る排気ガス浄化用触媒１０によれば、磁性材料１４と触媒金属１３とが、触媒層１２に含有された多孔質材１５の細孔１６に共存担持されていることにより、磁性材料が磁力によって触媒金属を吸引し触媒金属の移動を抑制するとともに細孔壁によって細孔間への触媒金属の移動が抑制されるので、触媒金属が凝集しシンタリングすることを抑制することができる。
前記排気ガス浄化用触媒では、低温時の排気ガスに多く含まれる未燃炭化水素（ＨＣ）成分を多孔質材の細孔内にトラップさせるとともに、排気ガス中のＮＯ成分を磁性材料Ｆｅ２Ｏ３や触媒金属Ｐｔに引き寄せ、磁性材料Ｆｅ２Ｏ３上ではＮＯ２の状態にて吸着させ、また触媒金属上ではＮＯ３−の状態にて吸着させることができ、低温時の排気ガス、特にＮＯｘ及びＨＣの浄化性能を高めることができる。かかるＮＯ２及び／又はＮＯ３−は、排気ガスの温度が上昇すると細孔壁から脱離する前記未燃炭化水素成分（ＨＣ成分）と反応し、還元されてＮ２になるとともにＨＣ成分を酸化浄化させることができる。
なお、磁性材料Ｆｅ２Ｏ３は、Ｆｅが３価の状態であり酸化された状態であることから、その表面にＯ原子が存在していると考えられる。そこに、ＮＯが近づくことでＮＯ２として吸着する。一方、触媒金属Ｐｔは、Ｆｅ２Ｏ３よりも酸素分解能力が強いため、より酸素が結合したＮＯ３−という状態になりやすい。
【００３３】
また、前記多孔質材１５が、ゼオライト又はメソポーラスシリカであることにより、前記効果を有効に実現し得る多孔質材を提供することができる。
【００３４】
なお、排気ガス浄化用触媒装置１の外周には永久磁石３０が配設されているので、ハニカム担体１１上に形成された触媒層１２に含有される磁性材料１４の磁力の劣化を抑制することができ、排気ガス浄化用触媒の浄化性能を確保することができる。
【００３５】
図４は、本発明の第２の実施形態に係る排気ガス浄化用触媒装置を概略的に示す概略説明図である。なお、以下の説明において、第１の実施形態と同様の構成を備え、同様の作用をなすものについては、同一符号を付し、それ以上の説明は省略する。
【００３６】
図４に示すように、排気ガス浄化用触媒装置４０は、第１の実施形態と同様に、排気ガス浄化用触媒１０とインターラムマット２０とを備えているが、排気ガス浄化用触媒１０の外周には、具体的にはインターラムマット２０の外周にはキャニングケース２１を介して、永久磁石３０に代え磁場発生装置５０が配設されている。
【００３７】
磁場発生装置５０は、略断面コ字状に形成され排気ガス浄化用触媒１０に含有された磁性材料１４に磁力を与える鉄心５１と、該鉄心５１に巻き付けられたコイル５２を含む励磁回路５３と、該励磁回路５３に電流を供給する電源５４とを備えている。磁場発生装置５０では、電源５４からコイル５２に電流が流れることにより、鉄心５１が磁化され該鉄心５１の端部に磁極５５ａ、５５ｂが形成され、磁性材料１４に磁力が与えられる。なお、前記磁場発生装置５０を用いる場合に限らず、先に説明した永久磁石３０を用いる場合においても、触媒金属１３は、極微小粒子になっていること並びに磁性材料１４に近接していることにより、磁場が与えられると磁力を有するようになる。
【００３８】
また、磁場発生装置５０とキャニングケース２１との間には、排気ガス浄化用触媒１０を冷却する冷却管部４１が配設されている。冷却管部４１は、例えば空気や水などの冷却媒体を導入する導入部４２と、前記冷却媒体を排出する排出部４３と、前記導入部４２と前記排出部４３との間に設けられる空洞部４４とを備え、略円筒状の二重管構造にて形成されている。なお、キャニングケース２１自体が、前記冷却構造を有するようにしてもよい。
【００３９】
また、冷却管部４１は、非磁性材料から形成され、磁場発生装置５０によって形成される磁場に影響を与えないように構成されている。この冷却管部４１は、排気ガス浄化用触媒１０が高温状態にある場合に、空洞部４４内に前記冷却媒体を流すことにより、排気ガス浄化用触媒１０の過昇温を防止し、磁性材料１４の磁力の低下を抑制することができる。
【００４０】
このように、第２の実施形態に係る排気ガス浄化用触媒においても、排気ガス浄化用触媒１０の外周に磁場発生装置５０が配設されているので、第１の実施形態と同様の効果を奏することができる。また、第２の実施形態に係る排気ガス浄化用触媒では、磁場発生装置５０により磁性材料の磁力の劣化をより有効に抑制することができ、排気ガス浄化用触媒の浄化性能をより有効に確保することができる。
【００４１】
なお、本実施形態では、排気ガス浄化用触媒に含有された磁性材料に磁力を与えるために、排気ガス浄化用触媒の外周に、永久磁石又は磁力発生装置が配設されているが、その他の好適な着磁手段を用いて排気ガス浄化用触媒に磁場を作用させ、前記磁性材料に磁力を与えるようにしてもよい。
【００４２】
以上のように、本発明は、例示された実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計上の変更が可能であることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、ハニカム担体上に形成された触媒層に磁性材料と触媒金属とが含有されるとともに多孔質材が更に含有された排気ガス浄化用触媒であり、例えば自動車等の車両の排気系に好適に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る排気ガス浄化用触媒装置を概略的に示す概略説明図である。
【図２】本実施形態に係る排気ガス浄化用触媒の要部断面図である。
【図３】前記排気ガス浄化用触媒に含有される多孔質材の要部を模式的に示した説明図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る排気ガス浄化用触媒装置を概略的に示す概略説明図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０ 排気ガス浄化用触媒
１１ ハニカム担体
１２ 触媒層
１３ 触媒金属
１４ 磁性材料
１５ 多孔質材
１６ 細孔
３０ 永久磁石
５０ 磁場発生装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気ガスを浄化する排気ガス浄化用触媒に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば自動車等の車両においては、ＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）等の大気汚染物質を含んだ排気ガスを浄化するために、排気ガス浄化用触媒がエンジンの排気系に備えられている。そして、かかる排気ガス浄化用触媒を用いて、ＨＣ及びＣＯが酸化されて浄化され、ＮＯｘが還元されて浄化される。
【０００３】
従来、このような排気ガス浄化用触媒として、例えば高比表面積を有するアルミナや酸素吸蔵放出能を有するＣｅＺｒ系複合酸化物などの酸化物担体表面に、例えばＰｔなどの触媒金属を高分散状態で担持させた排気ガス浄化用触媒が用いられ、排気ガスの浄化が行われている。
【０００４】
しかし、前記排気ガス浄化用触媒においては、高温の排気ガスに曝されることにより触媒金属が次第に凝集しシンタリングすることが問題となっている。触媒金属がシンタリングすると、触媒金属の比表面積が低下し触媒金属が失活することにより、排気ガスの浄化性能の低下を招くこととなる。
【０００５】
これに対し、排気ガス浄化用触媒に磁性材料を含有させ触媒金属のシンタリングを抑制することが知られており、例えば特許文献１には、触媒金属粒子に作用する磁力を発生させる強磁性粒子を含む排気ガス浄化用触媒を備えるとともに該排気ガス浄化用触媒の外周に永久磁石帯を備えた排気ガス浄化装置が開示されている。また、例えば特許文献２には、排気ガス浄化用触媒の周辺に磁場を存在させた内燃機関の排ガス浄化装置が開示されている。
【特許文献１】特開２００６ー２９１３８号公報
【特許文献２】特開２００３ー３０１７１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、前記特許文献１では、触媒金属が磁性粒子の磁力によって吸引される排気ガス浄化用触媒が開示されているが、前記排気ガス浄化用触媒では、高温の排気ガスに曝されることにより磁性粒子の磁力が次第にその効力を弱め、所定の浄化性能を得ることができない畏れがある。
【０００７】
また、前記特許文献２では、排気ガス中のＮＯｘが、排気ガス浄化用触媒の周辺に存在する磁場によって除去される排気ガス浄化用触媒が開示されているが、排気ガス浄化用触媒においては、ＮＯｘに加えて、ＨＣについても浄化性能の向上が求められる。特に、エンジン始動時など排気ガスの温度が低い場合には、排気ガス浄化用触媒の浄化性能が十分に発揮されないので、かかる場合における排気ガスの浄化性能の更なる向上が望まれる。
【０００８】
そこで、この発明は、前記技術的課題に鑑みてなされたものであり、触媒金属が凝集しシンタリングすることを抑制するとともに、低温時の排気ガス、特にＮＯｘ及びＨＣの浄化性能を高めることができる排気ガス浄化用触媒を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
このため、本願の請求項１に係る排気ガス浄化用触媒は、ハニカム担体の外周に永久磁石又は磁場発生装置が配設されるとともに、前記ハニカム担体上に形成された触媒層に磁性材料と触媒金属とが含有されてなる排気ガス浄化用触媒であって、前記触媒層に、特定の細孔径を有する細孔を備えた多孔質材が更に含有され、前記磁性材料と前記触媒金属とは、前記多孔質材の前記細孔に共存担持されていることを特徴としたものである。
【００１０】
また、本願の請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、前記多孔質材が、ゼオライト又はメソポーラスシリカであることを特徴としたものである。
【発明の効果】
【００１１】
本願の請求項１に係る排気ガス浄化用触媒によれば、磁性材料と触媒金属とが、触媒層に含有された多孔質材の細孔に共存担持されていることにより、磁性材料が磁力によって触媒金属を吸引し触媒金属の移動を抑制するとともに細孔壁によって細孔間への触媒金属の移動が抑制されるので、触媒金属が凝集しシンタリングすることを抑制することができる。
前記排気ガス浄化用触媒では、低温時の排気ガスに多く含まれる未燃炭化水素（ＨＣ）成分を多孔質材の細孔内にトラップさせるとともに、排気ガス中のＮＯ成分を磁性材料や触媒金属に引き寄せ吸着させることができ、低温時の排気ガス、特にＮＯｘ及びＨＣの浄化性能を高めることができる。かかるＮＯ成分は、排気ガスの温度が上昇すると細孔壁から脱離する前記未燃炭化水素成分（ＨＣ成分）と反応し、還元されてＮ２になるとともにＨＣ成分を酸化浄化させることができる。
【００１２】
また、本願の請求項２の発明によれば、前記多孔質材が、ゼオライト又はメソポーラスシリカであることにより、前記効果を有効に実現し得る多孔質材を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る排気ガス浄化用触媒装置を概略的に示す概略説明図である。図１に示すように、例えば自動車等の車両の排気系には、矢印の方向（図１において右方向）へ流れる排気ガスＧを浄化するための排気ガス浄化用触媒装置１が配設される。
【００１４】
排気ガス浄化用触媒装置１は、排気ガスＧを浄化する触媒層がハニカム担体に形成された排気ガス浄化用触媒１０と、該排気ガス浄化用触媒１０の外周を覆うインターラムマット２０と備えており、前記排気ガス浄化用触媒１０の外周には、具体的にはインターラムマット２０の外周には非磁性耐熱合金製キャニングケース２１を介して永久磁石３０が配設されている。
【００１５】
インターラムマット２０は、例えばセラミックファイバ等から成形されており、排気ガス浄化用触媒１０を保温、及び保持・固定するとともに排気ガスＧからの熱が永久磁石３０に伝熱されることを抑制するように、排気ガス浄化用触媒１０の外周に、具体的にはハニカム担体の外周に巻かれている。また、インターラムマット２０は、前記ハニカム担体を排気ガス浄化用触媒装置１内に保持している。
【００１６】
インターラムマット２０の外周に配設される永久磁石３０としては、例えばＦｅ−Ａｌ−Ｎｉ−Ｃｏ磁石、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃｏ磁石又はＣｕ−Ｎｉ−Ｃｏ磁石等の鋳造磁石、例えばＢａフェライト磁石又はＳｒフェライト磁石等のフェライト磁石、例えばＳｍ−Ｃｏ磁石又はＮｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石等の希土類磁石等を使用することができる。この永久磁石３０は、前記ハニカム担体の外周全体にわたって設けてもよく、あるいは前記ハニカム担体の外周の一部に設けるようにしてもよい。
【００１７】
図２は、本実施形態に係る排気ガス浄化用触媒の要部断面図である。図２に示すように、排気ガス浄化用触媒１０は、例えばコージェライトなどから成形されるハニカム担体１１上に触媒層１２が形成される。本実施形態では、触媒層１２に、触媒金属と磁性材料と多孔質材とが含有されており、触媒金属としてＰｔ、磁性材料としてＦｅ２Ｏ３、多孔質材としてゼオライトが用いられる。また、触媒層１２に、アルミナやＣｅＺｒ系複合酸化物などの酸素吸蔵材を含有させるようにしてもよい。
【００１８】
前記排気ガス浄化用触媒１０の調製に際しては、先ず触媒金属Ｐｔを含む水溶液とＦｅ成分を含む水溶液とを混合し、この混合溶液を多孔質材であるゼオライトに含浸させた後に、例えば２５０℃〜４００℃等の温度に加熱して乾燥させ、該乾燥後に、例えば５００℃の温度に２時間保持する焼成を行うことにより、多孔質材であるゼオライトの細孔に磁性材料Ｆｅ２Ｏ３と触媒金属Ｐｔとが共存担持された触媒粉末が得られる。
【００１９】
次に、前記触媒粉末に、バインダーと水とを混合し、本実施形態ではアルミナ及び酸素吸蔵材を更に混合し、スラリーを調製する。このスラリーにハニカム担体を浸漬させ、前記ハニカム担体を引き上げて余分なスラリーをエアブローにより除去した後に、例えば２５０℃〜４００℃等の温度に加熱して乾燥させ、該乾燥後に、例えば５００℃の温度に２時間保持する焼成を行うことにより、少なくとも触媒金属Ｐｔと多孔質材ゼオライトと磁性材料Ｆｅ２Ｏ３とが含有された触媒層１２がハニカム担体１１上に形成されてなる排気ガス浄化用触媒１０が得られる。
【００２０】
なお、排気ガス浄化用触媒１０では、好ましくは、触媒金属は、例えば０．１〜１．０ｇ／Ｌ程度の範囲で含有され、磁性材料は、例えば１０〜８０ｇ／Ｌ程度の範囲で含有され、多孔質材は、例えば８０〜１５０ｇ／Ｌ程度の範囲で含有される。また、多孔質材は、特定の細孔径を有しており、かかる細孔径としては、好ましくは約０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下程度のサイズを有する。
【００２１】
このようにして得られた排気ガス浄化用触媒１０の外周に、具体的にはハニカム担体１１の外周にインターラムマット２０を巻き、これをキャニングケース２１内に収納し、その外周に永久磁石３０が配設される。なお、排気ガス浄化用触媒１０について、触媒層１２に触媒金属と多孔質材と磁性材料とを含有させる方法は前述した方法に限定されるものではない。
【００２２】
図３は、前記排気ガス浄化用触媒に含有される多孔質材の要部を模式的に示した説明図である。前述したように、本実施形態に係る排気ガス浄化用触媒１０は、ハニカム担体１１に触媒層１２が形成され、該触媒層１２には、触媒金属１３と磁性材料１４とが含有されるとともに多孔質材１５が含有されている。触媒金属１３と磁性材料１４とは、図３に示すように、多孔質材１５の細孔１６に共存担持される。
【００２３】
排気ガス浄化用触媒１０では、排気ガスＧ中に含まれ分子サイズの小さいＮＯ成分が多孔質材１５の細孔１６内に侵入し、該細孔１６内に担持されている磁性材料１４や触媒金属１３に吸引される。これは、ＮＯ成分が常磁性であることによる。かかるＮＯ成分は、磁性材料１４上ではＮＯ２として吸着され、触媒金属１３上ではＮＯ３−として吸着される。これにより、例えばエンジン始動時など、低温状態にある排気ガスＧに含まれるＮＯ成分が大気中に排出されることを抑制することができる。
【００２４】
また、排気ガス浄化用触媒１０では、排気ガスＧ中に含まれる未燃炭化水素（ＨＣ）成分、特にエンジンの始動時など、低温状態にある排気ガスＧ中に多く含まれるベンゼン（Ｃ６Ｈ６）、トルエン（Ｃ６Ｈ５ＣＨ３）又はメタン（ＣＨ４）等のＨＣ成分が、多孔質材１５の細孔壁１７によってトラップされ、低温状態にある排気ガスＧに含まれるＨＣ成分が大気中に排出されることを抑制することができる。
【００２５】
このように、ＨＣ成分が多孔質材１５の細孔壁１７にトラップされＮＯ成分が磁性材料１４や触媒金属１３に吸引された排気ガス浄化用触媒１０では、排気ガスＧの温度が上昇すると、細孔壁１７にトラップされていたＨＣ成分が、細孔壁１７から脱離する。かかるＨＣ成分は、磁性材料１４上に吸着されているＮＯ２及び／又は触媒金属１３上に吸着されているＮＯ３−と反応することにより、前記ＮＯ成分が還元されＮ２として浄化されるとともに前記ＨＣ成分が酸化されＣＯ２として浄化される。
【００２６】
本実施形態では、ハニカム担体１１上に形成される触媒層１２に、多孔質材１５としてゼオライトが含有されているが、かかるゼオライトとして、ＭＦＩ型（ＺＳＭ−５）ゼオライト、β−ゼオライト、Ｙ型ゼオライト等のゼオライトを使用することができる。また、別の多孔質材として、細孔径の比較的大きいメソポーラスシリカなどを用いることも可能である。前記多孔質材について、細孔径及び該細孔径を有する細孔を備えた多孔質材によりトラップされるＨＣ成分の一例を以下の表１に示す。
【００２７】
【表１】
【００２８】
表１に示すように、多孔質材としてＭＦＩ型（ＺＳＭ−５）ゼオライトを使用する際には、例えば細孔径が０．５ｎｍであるものを用いることができ、かかるゼオライトを用いることで、例えばプロピレン（Ｃ３Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）、ｎ−ブタン（ｎ−Ｃ４Ｈ１０）又はｎ−ヘプタン（ｎ−Ｃ７Ｈ１６）などを細孔内にトラップさせることができる。また、β−ゼオライトを使用する際には、例えば細孔の長径が０．７ｎｍであり細孔の短径が０．５５ｎｍであるものを用いることができ、例えばＣ６Ｈ６、イソブタン（ｉｓｏ−Ｃ４Ｈ１０）、Ｃ６Ｈ５ＣＨ３又はシクロヘキサン（Ｃ６Ｈ１２）などを細孔内にトラップさせることができる。また、Ｙ型ゼオライトを使用する際には、例えば細孔径が０．７ｎｍであるものを用いることができ、例えばＣ６Ｈ６、ｉｓｏ−Ｃ４Ｈ１０、Ｃ６Ｈ５ＣＨ３又はシクロヘキサンなどを細孔内にトラップさせることができる。
【００２９】
一方、多孔質材としてメソポーラスシリカを使用する際には、例えば細孔径が２．７ｎｍであるＦＳＭ−１６（豊田中央研究所Ｒ＆Ｄレビュー、Ｖｏｌ．３６、ＮＯ．２、ｐ５７−６２（２００１．６）参照）などを用いることができ、かかるメソポーラスシリカを用いることで、例えば１，３，５−トリエチルベンゼン（Ｃ６Ｈ３（Ｃ２Ｈ５）３）、又は複数のベンゼン環が結合したベンゼン多員環などを細孔内にトラップさせることができる。また、メソポーラスシリカとして、例えば細孔径が８．０〜１０．０ｎｍであるＭＣＭ−４１（豊田中央研究所Ｒ＆Ｄレビュー、Ｖｏｌ．３６、ＮＯ．２、ｐ５７−６２（２００１．６）参照）などを用いることができ、例えばベンゼン多員環などを細孔内にトラップさせることができる。
【００３０】
なお、表１では、多孔質材について、細孔径とトラップ可能なＨＣ成分の一例が示されているが、これに限定されるものではなく、その他の細孔径を有する多孔質材を使用することができ、前記細孔径より小さい分子サイズを有するＨＣ成分を細孔内に捕捉することが可能である。また、多孔質材として、ＨＣ成分をトラップすることができるその他の好適な多孔質材を使用することができる。
【００３１】
本実施形態では、触媒金属としてＰｔが用いられているが、Ｐｄ、Ｒｈなどの触媒金属を用いてもよい。特に、多孔質材の細孔内に排気ガス中のＮＯ成分を酸化状態で吸着させるためには、触媒金属としてＰｔ又はＰｄを用いることが好ましい。また、磁性材料としては、フェライト系材料、具体的にはγ−フェライト（γ−Ｆｅ２Ｏ３）が好ましいが、その他の磁性材料を用いることも可能である。
【００３２】
このように、本実施形態に係る排気ガス浄化用触媒１０によれば、磁性材料１４と触媒金属１３とが、触媒層１２に含有された多孔質材１５の細孔１６に共存担持されていることにより、磁性材料が磁力によって触媒金属を吸引し触媒金属の移動を抑制するとともに細孔壁によって細孔間への触媒金属の移動が抑制されるので、触媒金属が凝集しシンタリングすることを抑制することができる。
前記排気ガス浄化用触媒では、低温時の排気ガスに多く含まれる未燃炭化水素（ＨＣ）成分を多孔質材の細孔内にトラップさせるとともに、排気ガス中のＮＯ成分を磁性材料Ｆｅ２Ｏ３や触媒金属Ｐｔに引き寄せ、磁性材料Ｆｅ２Ｏ３上ではＮＯ２の状態にて吸着させ、また触媒金属上ではＮＯ３−の状態にて吸着させることができ、低温時の排気ガス、特にＮＯｘ及びＨＣの浄化性能を高めることができる。かかるＮＯ２及び／又はＮＯ３−は、排気ガスの温度が上昇すると細孔壁から脱離する前記未燃炭化水素成分（ＨＣ成分）と反応し、還元されてＮ２になるとともにＨＣ成分を酸化浄化させることができる。
なお、磁性材料Ｆｅ２Ｏ３は、Ｆｅが３価の状態であり酸化された状態であることから、その表面にＯ原子が存在していると考えられる。そこに、ＮＯが近づくことでＮＯ２として吸着する。一方、触媒金属Ｐｔは、Ｆｅ２Ｏ３よりも酸素分解能力が強いため、より酸素が結合したＮＯ３−という状態になりやすい。
【００３３】
また、前記多孔質材１５が、ゼオライト又はメソポーラスシリカであることにより、前記効果を有効に実現し得る多孔質材を提供することができる。
【００３４】
なお、排気ガス浄化用触媒装置１の外周には永久磁石３０が配設されているので、ハニカム担体１１上に形成された触媒層１２に含有される磁性材料１４の磁力の劣化を抑制することができ、排気ガス浄化用触媒の浄化性能を確保することができる。
【００３５】
図４は、本発明の第２の実施形態に係る排気ガス浄化用触媒装置を概略的に示す概略説明図である。なお、以下の説明において、第１の実施形態と同様の構成を備え、同様の作用をなすものについては、同一符号を付し、それ以上の説明は省略する。
【００３６】
図４に示すように、排気ガス浄化用触媒装置４０は、第１の実施形態と同様に、排気ガス浄化用触媒１０とインターラムマット２０とを備えているが、排気ガス浄化用触媒１０の外周には、具体的にはインターラムマット２０の外周にはキャニングケース２１を介して、永久磁石３０に代え磁場発生装置５０が配設されている。
【００３７】
磁場発生装置５０は、略断面コ字状に形成され排気ガス浄化用触媒１０に含有された磁性材料１４に磁力を与える鉄心５１と、該鉄心５１に巻き付けられたコイル５２を含む励磁回路５３と、該励磁回路５３に電流を供給する電源５４とを備えている。磁場発生装置５０では、電源５４からコイル５２に電流が流れることにより、鉄心５１が磁化され該鉄心５１の端部に磁極５５ａ、５５ｂが形成され、磁性材料１４に磁力が与えられる。なお、前記磁場発生装置５０を用いる場合に限らず、先に説明した永久磁石３０を用いる場合においても、触媒金属１３は、極微小粒子になっていること並びに磁性材料１４に近接していることにより、磁場が与えられると磁力を有するようになる。
【００３８】
また、磁場発生装置５０とキャニングケース２１との間には、排気ガス浄化用触媒１０を冷却する冷却管部４１が配設されている。冷却管部４１は、例えば空気や水などの冷却媒体を導入する導入部４２と、前記冷却媒体を排出する排出部４３と、前記導入部４２と前記排出部４３との間に設けられる空洞部４４とを備え、略円筒状の二重管構造にて形成されている。なお、キャニングケース２１自体が、前記冷却構造を有するようにしてもよい。
【００３９】
また、冷却管部４１は、非磁性材料から形成され、磁場発生装置５０によって形成される磁場に影響を与えないように構成されている。この冷却管部４１は、排気ガス浄化用触媒１０が高温状態にある場合に、空洞部４４内に前記冷却媒体を流すことにより、排気ガス浄化用触媒１０の過昇温を防止し、磁性材料１４の磁力の低下を抑制することができる。
【００４０】
このように、第２の実施形態に係る排気ガス浄化用触媒においても、排気ガス浄化用触媒１０の外周に磁場発生装置５０が配設されているので、第１の実施形態と同様の効果を奏することができる。また、第２の実施形態に係る排気ガス浄化用触媒では、磁場発生装置５０により磁性材料の磁力の劣化をより有効に抑制することができ、排気ガス浄化用触媒の浄化性能をより有効に確保することができる。
【００４１】
なお、本実施形態では、排気ガス浄化用触媒に含有された磁性材料に磁力を与えるために、排気ガス浄化用触媒の外周に、永久磁石又は磁力発生装置が配設されているが、その他の好適な着磁手段を用いて排気ガス浄化用触媒に磁場を作用させ、前記磁性材料に磁力を与えるようにしてもよい。
【００４２】
以上のように、本発明は、例示された実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計上の変更が可能であることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、ハニカム担体上に形成された触媒層に磁性材料と触媒金属とが含有されるとともに多孔質材が更に含有された排気ガス浄化用触媒であり、例えば自動車等の車両の排気系に好適に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る排気ガス浄化用触媒装置を概略的に示す概略説明図である。
【図２】本実施形態に係る排気ガス浄化用触媒の要部断面図である。
【図３】前記排気ガス浄化用触媒に含有される多孔質材の要部を模式的に示した説明図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る排気ガス浄化用触媒装置を概略的に示す概略説明図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０ 排気ガス浄化用触媒
１１ ハニカム担体
１２ 触媒層
１３ 触媒金属
１４ 磁性材料
１５ 多孔質材
１６ 細孔
３０ 永久磁石
５０ 磁場発生装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハニカム担体の外周に永久磁石又は磁場発生装置が配設されるとともに、前記ハニカム担体上に形成された触媒層に磁性材料と触媒金属とが含有されてなる排気ガス浄化用触媒であって、
前記触媒層に、特定の細孔径を有する細孔を備えた多孔質材が更に含有され、
前記磁性材料と前記触媒金属とは、前記多孔質材の前記細孔に共存担持されている、
ことを特徴とする排気ガス浄化用触媒。
【請求項２】
前記多孔質材が、ゼオライト又はメソポーラスシリカであることを特徴とする請求項１に記載の排気ガス浄化用触媒。
【請求項１】
ハニカム担体の外周に永久磁石又は磁場発生装置が配設されるとともに、前記ハニカム担体上に形成された触媒層に磁性材料と触媒金属とが含有されてなる排気ガス浄化用触媒であって、
前記触媒層に、特定の細孔径を有する細孔を備えた多孔質材が更に含有され、
前記磁性材料と前記触媒金属とは、前記多孔質材の前記細孔に共存担持されている、
ことを特徴とする排気ガス浄化用触媒。
【請求項２】
前記多孔質材が、ゼオライト又はメソポーラスシリカであることを特徴とする請求項１に記載の排気ガス浄化用触媒。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００８−２３４２８（Ｐ２００８−２３４２８Ａ）
【公開日】平成２０年２月７日（２００８．２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１９６９８６（Ｐ２００６−１９６９８６）
【出願日】平成１８年７月１９日（２００６．７．１９）
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年２月７日（２００８．２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年７月１９日（２００６．７．１９）
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【Ｆターム（参考）】
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