説明

酸化触媒

【課題】PMの低温における浄化性能を向上し得る酸化触媒を提供する。
【解決手段】酸化触媒は、触媒Aを含む内層と触媒Bを含む表層とをこの順で触媒担持体に積層した酸化触媒である。触媒Aはセリウムを含む蛍石型複合酸化物である。触媒Bはペロブスカイト型複合酸化物である。内層は触媒Bを更に含む。内層に含まれる触媒A及び触媒Bの比率(触媒A:触媒B)が質量比で80:20〜10:90である。触媒Bが下記一般式(1)で表される。
LXO…(1)
(式中、Lはランタン(La)、プラセオジム(Pr)及びイットリウム(Y)からなる群より選ばれる少なくとも1種を示し、Xは鉄(Fe)を示す。)

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、酸化触媒に関する。更に詳細には、本発明は、粒子状物質(以下「PM」という。)の低温における浄化性能を向上し得る酸化触媒に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、比較的低温で長時間連続使用しても、フィルタに目詰まりが発生し難いディーゼルエンジンの排気浄化装置として、排気通路に介装されるフィルタの排気流入面に、セリウム系複合酸化物と、ペロブスカイト型複合酸化物又はスピネル型複合酸化物の少なくとも一方とを塗布したものが提案されている(特許文献1参照。)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2002−292246号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、上記特許文献1に記載の排気浄化装置であっても、PMの低温における浄化性能が十分でないという問題点があった。
【0005】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものである。そして、その目的とするところは、PMの低温における浄化性能を向上し得る酸化触媒を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討を重ねた。そして、その結果、セリウムを含む蛍石型複合酸化物とペロブスカイト型複合酸化物の配置を最適化することなどにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【0007】
本発明の酸化触媒は、触媒Aを含む内層と触媒Bを含む表層とをこの順で触媒担持体に積層した酸化触媒であって、該触媒Aがセリウムを含む蛍石型複合酸化物であり、該触媒Bがペロブスカイト型複合酸化物であることを特徴とする。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、セリウムを含む蛍石型複合酸化物とペロブスカイト型複合酸化物の配置を最適化することなどとしたため、PMの低温における浄化性能を向上し得る酸化触媒を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】本発明の一実施形態に係る酸化触媒の概略を説明する図である。
【図2】Zr−Ce−Nd−La酸化物粉末のX線回折スペクトルである。
【図3】PrFeO粉末のX線回折スペクトルである。
【図4】LaFeO粉末のX線回折スペクトルである。
【図5】PM堆積に用いる排ガス浄化システムの構成を示す概略図である。
【図6】PM酸化処理に用いる排ガス浄化システムの構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、本発明の一実施形態に係る酸化触媒について図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る酸化触媒の概略を説明する図である。
図1(a)は、排ガス流入側の正面図である。図1(a)に示すように、本実施形態の酸化触媒1は、触媒担持体6として、目詰め部6aが交互に配置されたもの(いわゆるディーゼルパティキュレートフィルタ(DPF)である。)を用いている。また、図1(b)及び図1(c)は、排ガス流れ方向に沿った断面図及びその破線で囲んだ部分の拡大図である。図1(b)及び図1(c)に示すように、本実施形態の酸化触媒は、触媒A及び触媒Bを含む内層2と触媒Bを含む表層4とがこの順でDPF6の排ガス流入側のセル壁面に積層されている。
なお、触媒Aがセリウムを含む蛍石型複合酸化物であり、該触媒Bがペロブスカイト型複合酸化物である。
このように、触媒A好ましくは触媒A及び触媒Bを含む内層と触媒Bを含む表層とをこの順で触媒担持体に積層した酸化触媒であって、触媒Aがセリウムを含む蛍石型複合酸化物であり、触媒Bがペロブスカイト型複合酸化物である構成にすると、PMの低温における浄化性能を向上することができる。
特に、表層にペロブスカイト型複合酸化物が含まれているため、PMにおける有機溶媒可溶成分(以下「SOF」ということがある。)の浄化性能が向上する。
また、内層において、セリウムを含む蛍石型複合酸化物とペロブスカイト型複合酸化物との混合比を最適化するとPMにおけるスス成分(以下「Soot」ということがである。)の燃焼速度を高めることが可能となる。
【0011】
現時点においては、以下のメカニズムによりPMの低温における浄化性能が向上していると考えている。
まず、反応性の高い触媒Bに排ガスが最初に接触することによって、低温から触媒活性が得られる。また、触媒Bと排ガスとの反応熱により、排ガスと2番目以降に接触する触媒も活性化させることができる。これにより、PMの低温における浄化性能が向上することとなる。
但し、上記のメカニズムはあくまでも推測に基づくものである。従って、上記のメカニズム以外のメカニズムにより上述のような効果が得られていたとしても、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。
【0012】
また、内層に含まれる触媒A及び触媒Bの比率(触媒A:触媒B)は質量比で80:20〜10:90であることが好ましい。
触媒Aと触媒Bとを上記質量比の範囲内で混合すると、PMの燃焼開始温度を低温下することができる。
【0013】
現時点においては、以下のメカニズムによりPMの燃焼開始温度が低温下していると考えている。
まず、触媒B上でより低温からSootの酸化反応が開始することから、触媒B上での反応により発生した反応熱により触媒Aが本来活性化する温度より低温域で活性化されることとなる。このとき、触媒Bの比率が上記範囲より少なすぎると、触媒Aを活性化するための十分な反応熱が得られないことがあり、十分な効果が得られないことがある。一方、触媒Bの比率が上記範囲より多すぎると、触媒B上で反応熱が発生するものの、触媒Aが少なく、反応熱が効果的に利用されないため、触媒Bで得られる活性と同等程度の低温活性しか得られないことがある。
但し、上記のメカニズムはあくまでも推測に基づくものである。従って、上記のメカニズム以外のメカニズムにより上述のような効果が得られていたとしても、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。
【0014】
触媒Aとしては、セリウム(Ce)を含む蛍石型複合酸化物であれば特に限定されるものではないが、例えば、ジルコニウム(Zr)及びセリウム(Ce)に対して、セリウム(Ce)以外の希土類元素を添加してなる複合酸化物を挙げることができる。このような希土類元素としては、例えばイットリウム(Y)、ランタン(La)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)などを挙げることができるが、これらに限定されるものではない。
また、触媒Bとしては、例えばPMの低温における浄化性能の向上が確認できたという観点からは、下記一般式(1)で表されるものを好適に用いることができる。しかしながら、PMの浄化におけるペロブスカイト型複合酸化物の働きを考慮すれば、下記一般式(1)で表されるものに特に限定されるものではない。
LXO…(1)
(式中、Lはランタン(La)、プラセオジム(Pr)及びイットリウム(Y)からなる群より選ばれる少なくとも1種を示し、Xは鉄(Fe)を示す。)
【実施例】
【0015】
以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【0016】
(実施例1)
(1)Zr−Ce−Nd−La酸化物粉末(以下、単に「Zr−Ce−Nd−La粉末」という。また、図2にX線回折スペクトルを示す。図2より、蛍石型複合酸化物であることが分かる。)、ベーマイトアルミナ、硝酸及びイオン交換水を磁性ポットに投入し、アルミナボールと共に振とう粉砕して、内層スラリを得た。
(2)PrFeO粉末(図3にX線回折スペクトルを示す。図3より、ペロブスカイト型型複合酸化物であることが分かる。)、ベーマイトアルミナ、硝酸及びイオン交換水を磁性ポットに投入し、アルミナボールと共に振とう粉砕して、表層スラリを得た。
(3)(1)で得られた内層スラリにコージェライト製の目詰め部を有する触媒担持体(2.5L)を浸漬して担持体に内層スラリを含浸させ、次いで、空気流にて余剰の内層スラリを除去し、しかる後、乾燥した。コート量は50g/Lであった。
(4)(2)で得られた表層スラリに(3)で得られた担持体を浸漬して担持体に表層スラリを含浸させ、次いで、空気流にて余剰の表層スラリを除去し、しかる後、乾燥した。コート量は、5g/Lであった。
(5)(4)で得られた担持体を400℃で焼成して、図1に示すような本例の酸化触媒を得た。
【0017】
(実施例2)
内層にZr−Ce−Nd−La粉末、表層にLaFeO粉末(図4にX線回折スペクトルを示す。図4より、ペロブスカイト型型複合酸化物であることが分かる。)を用いたこと以外は、実施例1と同様の操作を繰り返して、図1に示すような本例の酸化触媒を得た。
【0018】
(実施例3)
内層にZr−Ce−Nd−La粉末、表層にYFeO粉末(図示しないが、ペロブスカイト型型複合酸化物であることを確認した。)を用いたこと以外は、実施例1と同様の操作を繰り返して、図1に示すような本例の酸化触媒を得た。
【0019】
(実施例4)
(1)Zr−Ce−Nd−La粉末及びPrFeO粉末(Zr−Ce−Nd−La粉末:PrFeO粉末=50:50(質量比))、ベーマイトアルミナ、硝酸及びイオン交換水を磁性ポットに投入し、アルミナボールと共に振とう粉砕して、内層スラリを得た。
(2)PrFeO粉末、ベーマイトアルミナ、硝酸及びイオン交換水を磁性ポットに投入し、アルミナボールと共に振とう粉砕して、表層スラリを得た。
(3)(1)で得られた内層スラリにコージェライト製の目詰め部を有する触媒担持体(2.5L)を浸漬して担持体に内層スラリを含浸させ、次いで、空気流にて余剰の内層スラリを除去し、しかる後、乾燥した。コート量は50g/Lであった。
(4)(2)で得られた表層スラリに(3)で得られた担持体を浸漬して担持体に表層スラリを含浸させ、次いで、空気流にて余剰の表層スラリを除去し、しかる後、乾燥した。コート量は、5g/Lであった。
(5)(4)で得られた担持体を400℃で焼成して、図1に示すような本例の酸化触媒を得た。
【0020】
(実施例5)
(1)Zr−Ce−Nd−La粉末及びPrFeO粉末(Zr−Ce−Nd−La粉末:PrFeO粉末=75:25(質量比))、ベーマイトアルミナ、硝酸及びイオン交換水を磁性ポットに投入し、アルミナボールと共に振とう粉砕して、内層スラリを得た。
(2)PrFeO粉末、ベーマイトアルミナ、硝酸及びイオン交換水を磁性ポットに投入し、アルミナボールと共に振とう粉砕して、表層スラリを得た。
(3)(1)で得られた内層スラリにコージェライト製の目詰め部を有する触媒担持体(2.5L)を浸漬して担持体に内層スラリを含浸させ、次いで、空気流にて余剰の内層スラリを除去し、しかる後、乾燥した。コート量は50g/Lであった。
(4)(2)で得られた表層スラリに(3)で得られた担持体を浸漬して担持体に表層スラリを含浸させ、次いで、空気流にて余剰の表層スラリを除去し、しかる後、乾燥した。コート量は、5g/Lであった。
(5)(4)で得られた担持体を400℃で焼成して、図1に示すような本例の酸化触媒を得た。
【0021】
(実施例6)
(1)Zr−Ce−Nd−La粉末及びPrFeO粉末(Zr−Ce−Nd−La粉末:PrFeO粉末=25:75(質量比))、ベーマイトアルミナ、硝酸及びイオン交換水を磁性ポットに投入し、アルミナボールと共に振とう粉砕して、内層スラリを得た。
(2)PrFeO粉末、ベーマイトアルミナ、硝酸及びイオン交換水を磁性ポットに投入し、アルミナボールと共に振とう粉砕して、表層スラリを得た。
(3)(1)で得られた内層スラリにコージェライト製の目詰め部を有する触媒担持体(2.5L)を浸漬して担持体に内層スラリを含浸させ、次いで、空気流にて余剰の内層スラリを除去し、しかる後、乾燥した。コート量は50g/Lであった。
(4)(2)で得られた表層スラリに(3)で得られた担持体を浸漬して担持体に表層スラリを含浸させ、次いで、空気流にて余剰の表層スラリを除去し、しかる後、乾燥した。コート量は、5g/Lであった。
(5)(4)で得られた担持体を400℃で焼成して、図1に示すような本例の酸化触媒を得た。
【0022】
(実施例7)
(1)Zr−Ce−Nd−La粉末及びLaFeO粉末(Zr−Ce−Nd−La粉末:LaFeO粉末=50:50(質量比))、ベーマイトアルミナ、硝酸及びイオン交換水を磁性ポットに投入し、アルミナボールと共に振とう粉砕して、内層スラリを得た。
(2)LaFeO粉末、ベーマイトアルミナ、硝酸及びイオン交換水を磁性ポットに投入し、アルミナボールと共に振とう粉砕して、表層スラリを得た。
(3)(1)で得られた内層スラリにコージェライト製の目詰め部を有する触媒担持体(2.5L)を浸漬して担持体に内層スラリを含浸させ、次いで、空気流にて余剰の内層スラリを除去し、しかる後、乾燥した。コート量は50g/Lであった。
(4)(2)で得られた表層スラリに(3)で得られた担持体を浸漬して担持体に表層スラリを含浸させ、次いで、空気流にて余剰の表層スラリを除去し、しかる後、乾燥した。コート量は、5g/Lであった。
(5)(4)で得られた担持体を400℃で焼成して、図1に示すような本例の酸化触媒を得た。
【0023】
(実施例8)
(1)Zr−Ce−Nd−La粉末及びLaFeO粉末(Zr−Ce−Nd−La粉末:LaFeO粉末=75:25(質量比))、ベーマイトアルミナ、硝酸及びイオン交換水を磁性ポットに投入し、アルミナボールと共に振とう粉砕して、内層スラリを得た。
(2)LaFeO粉末、ベーマイトアルミナ、硝酸及びイオン交換水を磁性ポットに投入し、アルミナボールと共に振とう粉砕して、表層スラリを得た。
(3)(1)で得られた内層スラリにコージェライト製の目詰め部を有する触媒担持体(2.5L)を浸漬して担持体に内層スラリを含浸させ、次いで、空気流にて余剰の内層スラリを除去し、しかる後、乾燥した。コート量は50g/Lであった。
(4)(2)で得られた表層スラリに(3)で得られた担持体を浸漬して担持体に表層スラリを含浸させ、次いで、空気流にて余剰の表層スラリを除去し、しかる後、乾燥した。コート量は、5g/Lであった。
(5)(4)で得られた担持体を400℃で焼成して、図1に示すような本例の酸化触媒を得た。
【0024】
(実施例9)
(1)Zr−Ce−Nd−La粉末及びLaFeO粉末(Zr−Ce−Nd−La粉末:LaFeO粉末=25:75(質量比))、ベーマイトアルミナ、硝酸及びイオン交換水を磁性ポットに投入し、アルミナボールと共に振とう粉砕して、内層スラリを得た。
(2)LaFeO粉末、ベーマイトアルミナ、硝酸及びイオン交換水を磁性ポットに投入し、アルミナボールと共に振とう粉砕して、表層スラリを得た。
(3)(1)で得られた内層スラリにコージェライト製の目詰め部を有する触媒担持体(2.5L)を浸漬して担持体に内層スラリを含浸させ、次いで、空気流にて余剰の内層スラリを除去し、しかる後、乾燥した。コート量は50g/Lであった。
(4)(2)で得られた表層スラリに(3)で得られた担持体を浸漬して担持体に表層スラリを含浸させ、次いで、空気流にて余剰の表層スラリを除去し、しかる後、乾燥した。コート量は、5g/Lであった。
(5)(4)で得られた担持体を400℃で焼成して、図1に示すような本例の酸化触媒を得た。
【0025】
(比較例1)
(1)Ce−Pr粉末、ベーマイトアルミナ、硝酸及びイオン交換水を磁性ポットに投入し、アルミナボールと共に振とう粉砕して、スラリを得た。
(2)(1)で得られたスラリにコージェライト製の目詰め部を有する触媒担持体(2.5L)を浸漬して担持体にスラリを含浸させ、次いで、空気流にて余剰のスラリを除去し、しかる後、乾燥した。コート量は55g/Lであった。
(3)(2)で得られた担持体を400℃で焼成して、図1に示すような本例の酸化触媒を得た。
【0026】
(比較例2)
Zr−Ce−Nd−La粉末を用いたこと以外は、比較例1と同様の操作を繰り返して、図1に示すような本例の酸化触媒を得た。
【0027】
(比較例3)
PrFeO粉末を用いたこと以外は、比較例1と同様の操作を繰り返して、図1に示すような本例の酸化触媒を得た。
【0028】
(比較例4)
LaFeO粉末を用いたこと以外は、比較例1と同様の操作を繰り返して、図1に示すような本例の酸化触媒を得た。
【0029】
(比較例5)
YFeO粉末を用いたこと以外は、比較例1と同様の操作を繰り返して、図1に示すような本例の酸化触媒を得た。
上記各例の酸化触媒の仕様を表1に示す。
【0030】
【表1】

【0031】
[性能評価]
(1)PM堆積
まず、図5に示すような排ガス浄化システムを構築した。エンジン10としては、日産自動車株式会社製 2.5L ディーゼルエンジンを用いた。また、三元触媒12としては、貴金属使用量80g/cf(パラジウム/ロジウム=5/1)であるものを用いた。更に、酸化触媒1としては、上記各例の酸化触媒を用いた。
次に、ガス流路B(10b)にて排気ガス温度が350℃となるよう調整した後、ガス流路A(10a)に切り替えて、酸化触媒1にPMを堆積させた。PM堆積量は約10gとした(なお、PM堆積量は、PM堆積を実施する前後の触媒重量差より算出した。)。
【0032】
(2)PM酸化処理
次に、図6に示すような排ガス浄化システムを構築した。エンジン10としては、日産自動車株式会社製 2.5L ディーゼルエンジンを用いた。また、三元触媒12としては、貴金属使用量80g/cf(パラジウム/ロジウム=5/1)であるものを用いた。更に、触媒担持体(DPF)14としては、触媒をコーティングしていないコージェライト製の目詰め部を有する触媒担持体を用いた。酸化触媒1としては、上記各例のPMを堆積させた酸化触媒を用いた。
次に、ガス流路B(10b)にて排気ガス温度が380℃となるよう調整した後、ガス流路A(10a)に切り替えて、酸化触媒1中のPMを酸化処理した。また、PM酸化処理量は、PM酸化処理を実施する前後の重量変化より算出した。更に、このときの酸化触媒1の出口より排出されるHC濃度を分析計にて測定した。また、PM酸化率を下記計算により算出した。得られた結果を表1に併記する。
【0033】
PM酸化率(%)=PM酸化処理量(g)/PM堆積量(g)×100
【0034】
表1において、本発明の範囲に属する実施例1〜3は、本発明外の比較例1〜5と比較すると、HC排出量及びPM酸化率が優れている傾向があることが分かる。特に、実施例1〜3と比較例3〜5とをそれぞれ対比するとHC排出量及びPM酸化率が優れていることが分かる。また、実施例1〜3を比較すると、触媒Bとしては、LaFeOが優れていることが分かる。
表1において、本発明の範囲に属する実施例4〜6と実施例1とを比較すると、内層に触媒Bを更に含む構成とすることにより、HC排出量及びPM酸化率が更に優れたものになることが分かる。また、本発明の範囲に属する実施例7〜9と実施例2とを比較した場合にも同様の傾向があることが分かる。本発明の範囲に属する実施例4〜6及び実施例7〜9の結果から、触媒A:触媒B=80:20〜10:90(質量比)であることが好ましいことが分かる。
【0035】
以上、本発明を若干の実施形態、実施例などにより説明したが、本発明は、これら実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。
上述の実施形態及び実施例においては、触媒担持体として、目詰め部を有するコージェライト製の触媒担持体(DPF)を適用したものを用いて説明したが、触媒担持体としてはこれに限定されるものではない。
例えば、本発明においては、目詰め部を有さない通常のハニカム担体を適用することもできる。また、本発明においては、コージェライト製のものに限定されるものではなく、例えば、炭化珪素製のものやフェライト系ステンレス製などの耐熱性材料からなるものを適用することができる。
【符号の説明】
【0036】
1 酸化触媒
2 内層
4 表層
6 触媒担持体(DPF)
6a 目詰め部
10 エンジン
10a ガス流路A
10b ガス流路B
12 三元触媒
14 触媒担持体(DPF)

【特許請求の範囲】
【請求項1】
触媒Aを含む内層と触媒Bを含む表層とをこの順で触媒担持体に積層した酸化触媒であって、
上記触媒Aがセリウムを含む蛍石型複合酸化物であり、
上記触媒Bがペロブスカイト型複合酸化物である、
ことを特徴とする酸化触媒。
【請求項2】
上記内層が上記触媒Bを更に含むことを特徴とする請求項1に記載の酸化触媒。
【請求項3】
上記内層に含まれる上記触媒A及び上記触媒Bの比率(触媒A:触媒B)が質量比で80:20〜10:90であることを特徴とする請求項2に記載の酸化触媒。
【請求項4】
上記触媒Bが下記一般式(1)で表されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つの項に記載の酸化触媒。
LXO…(1)
(式中、Lはランタン(La)、プラセオジム(Pr)及びイットリウム(Y)からなる群より選ばれる少なくとも1種を示し、Xは鉄(Fe)を示す。)

【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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【公開番号】特開2012−125721(P2012−125721A)
【公開日】平成24年7月5日(2012.7.5)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−280704(P2010−280704)
【出願日】平成22年12月16日(2010.12.16)
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】(出願人による申告)平成22年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、希少金属代替材料開発プロジェクト/排ガス浄化向け白金族使用量低減技術開発及び代替材料開発/遷移元素による白金族代替技術及び白金族の凝集抑制技術を活用した白金族低減技術の開発委託事業、産業技術力強化法第19条の適用を受ける特許出願
【出願人】(000003997)日産自動車株式会社 (16,386)
【Fターム(参考)】