JP2015009212A - Exhaust gas cleaning filter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、排ガス浄化フィルタに関し、さらに詳しくは、自動車等のディーゼルエンジンから排出される排ガス中に含まれる粒子状物質(PM:Particulate matter)を除去する際に好適に用いられ、この粒子状物質の捕集性を向上させつつ圧力損失の上昇を抑制し、さらには、フィルタを再生する際の粒子状物質の燃焼温度を低下させることにより、フィルタの耐久性の向上をも可能とする排ガス浄化フィルタに関するものである。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to an exhaust gas purification filter, and more specifically, is used when removing particulate matter (PM) contained in exhaust gas discharged from a diesel engine such as an automobile. Exhaust gas purification that improves the filter's durability by suppressing the increase in pressure loss while lowering the combustion temperature of particulate matter when regenerating the filter It relates to filters.
自動車等のディーゼルエンジンから排出される排ガス中に含まれる一酸化炭素(CO)、炭化水素(HC)、窒素酸化物(NOx)、粒子状物質(PM)等の物質は、大気汚染の原因となり、これまでに様々な環境問題を引き起こしている。特に、排ガス中に含まれる粒子状物質(PM)は、喘息や花粉症等のアレルギー性疾患を引き起こす要因とも言われている。そこで、これらの排ガス中に含まれる大気汚染の原因となる物質を浄化するために排ガス浄化装置が利用されている。 Substances such as carbon monoxide (CO), hydrocarbons (HC), nitrogen oxides (NOx), and particulate matter (PM) contained in exhaust gas discharged from diesel engines such as automobiles cause air pollution. So far, it has caused various environmental problems. In particular, particulate matter (PM) contained in exhaust gas is also said to cause allergic diseases such as asthma and hay fever. Therefore, an exhaust gas purification apparatus is used to purify substances that cause air pollution contained in these exhaust gases.
一般に、自動車用ディーゼルエンジンでは、PMを捕集するための排ガス浄化フィルタとして、セラミックス製の目封じタイプのハニカム構造体を有するディーゼル・パティキュレート・フィルタ(DPF:Diesel Particulate Filter)が使用されている。このDPFは、アルミナ、セリア、ジルコニア等の金属酸化物からなるセラミックスや、一般式ABO3(ただし、A、Bは金属元素)で表されるペロブスカイト構造の金属複合酸化物からなるハニカム構造体のセル(ガス流路)の両端を市松模様に目封じし、このセルの少なくとも流入側ガス流路側の表面に酸化触媒機能を有する貴金属元素を担持させたもので、このセルの隔壁の細孔を排ガスが通過する際、PMが捕集される。 In general, a diesel particulate filter (DPF: Diesel Particulate Filter) having a plugged ceramic honeycomb structure is used as an exhaust gas purification filter for collecting PM in an automobile diesel engine. . This DPF is a ceramic structure made of a metal oxide such as alumina, ceria, zirconia, or a honeycomb structure made of a metal composite oxide having a perovskite structure represented by the general formula ABO 3 (where A and B are metal elements). Both ends of the cell (gas flow path) are sealed in a checkered pattern, and a noble metal element having an oxidation catalyst function is supported on at least the surface of the cell on the inflow side gas flow path. When exhaust gas passes, PM is collected.
このDPFでは、捕集されたPMは燃焼により除去されるが、このPMが燃焼される際に、DPFに担持された酸化触媒機能を有する貴金属元素がPMの燃焼除去の触媒として作用し、燃焼温度の低下及び燃焼時間の短縮を図っている(例えば、特許文献1、2参照)。
ところで、上述した従来の排ガスを浄化する触媒では、貴金属元素が必須であるが、一方、新興国における自動車保有台数は急激に増加しており、また先進国における排ガス規制もより強化されていることから、自動車の排ガス浄化装置に用いられる貴金属元素の需要もさらに増加するとみられている。
そこで、貴金属元素の使用量を低減することのできる排ガス浄化用の触媒として、高い比表面積のγ−アルミナ等の微粒子(担持粒子)の表面に貴金属元素を担持させることにより、貴金属元素の表面積を広げ、触媒活性の面を増加させた複合粒子を触媒として用いる構成が提案されている(例えば、特許文献3参照)。
In this DPF, the collected PM is removed by combustion. When this PM is combusted, a noble metal element having an oxidation catalyst function carried by the DPF acts as a catalyst for combustion removal of PM, and combustion The temperature is reduced and the combustion time is shortened (see, for example,
By the way, in the conventional catalyst for purifying exhaust gas described above, noble metal elements are essential, but on the other hand, the number of automobiles owned in emerging countries is increasing rapidly, and exhaust gas regulations in developed countries are further strengthened. Therefore, the demand for precious metal elements used in automobile exhaust gas purification devices is expected to increase further.
Therefore, as a catalyst for exhaust gas purification that can reduce the amount of noble metal element used, the surface area of the noble metal element is reduced by supporting the noble metal element on the surface of fine particles (supported particles) such as γ-alumina having a high specific surface area. A configuration has been proposed in which composite particles that have been expanded and have increased catalytic activity are used as a catalyst (see, for example, Patent Document 3).
ところで、上述した従来の排ガスを浄化する触媒では、γ−アルミナが1000℃以上の高温下でα−アルミナへ結晶転移を起こすことにより、比表面積が著しく低下するという問題点があった。
さらに、γ−アルミナからα−アルミナへの結晶転移による構造変化は、触媒成分のシンタリング(粒成長)を促進させる原因となる。また、これらの触媒を基材上に層状に形成する場合には、触媒の結晶転移による構造変化が、形成した層に剥離や脱落を生じさせる原因ともなる。
以上のことから、γ−アルミナ等の微粒子の表面に貴金属元素を担持させた触媒は、高温下では触媒活性を維持することができないという問題点があった。
さらにまた、ガソリンエンジンにおいても、燃費改善と高出力化を目的とした直噴化が行われてきているが、この直噴ガソリンエンジンではPMの発生が避けられず、そこで、ガソリンエンジンにおいてもDPFに相当するPM捕集用フィルタの必要性が高まっている。
By the way, the conventional catalyst for purifying exhaust gas described above has a problem that the specific surface area is remarkably reduced by causing crystal transition of γ-alumina to α-alumina at a high temperature of 1000 ° C. or higher.
Furthermore, the structural change due to the crystal transition from γ-alumina to α-alumina becomes a cause of promoting the sintering (grain growth) of the catalyst component. Further, when these catalysts are formed in layers on a substrate, structural changes due to the crystal transition of the catalyst may cause peeling or dropping of the formed layers.
From the above, there is a problem that a catalyst in which a noble metal element is supported on the surface of fine particles such as γ-alumina cannot maintain catalytic activity at high temperatures.
In addition, direct injection for the purpose of improving fuel efficiency and high output has been performed in gasoline engines, but in this direct injection gasoline engine, the generation of PM is unavoidable. There is an increasing need for a PM collection filter corresponding to the above.
本発明者等は、上記問題点を解決するために鋭意研究を行い、排ガス浄化フィルタにおいて、フィルタ基体を構成する隔壁の少なくとも流入側ガス流路側の表面に炭化ケイ素粒子からなる多孔質膜を形成し、貴金属粒子を、この炭化ケイ素粒子の表面に形成された酸化物層により覆われた状態で担持させれば、粒子状物質の捕集性を向上させつつ圧力損失の上昇を抑制し、さらには、粒子状物質の燃焼温度の低下が可能であり、その結果、フィルタの耐久性を向上させるだけではなく、フィルタの連続再生をも可能であることを見出し、提案している(特許文献4)。 The present inventors have conducted intensive research to solve the above problems, and in the exhaust gas purification filter, a porous film made of silicon carbide particles is formed on the surface of at least the inflow side gas flow path side of the partition wall constituting the filter base. If the noble metal particles are supported in a state of being covered with the oxide layer formed on the surface of the silicon carbide particles, the increase in pressure loss is suppressed while improving the trapping property of the particulate matter, and Has found and proposed that the combustion temperature of particulate matter can be lowered, and as a result, not only the durability of the filter can be improved, but also the filter can be continuously regenerated (Patent Document 4). ).
しかしながら、特許文献4に記載された排ガス浄化フィルタにおいては、炭化ケイ素粒子に対する貴金属粒子の好適な担持量については検討がなされておらず、よって貴金属粒子量の不足による触媒特性の発現不足が生じるおそれがあるという問題点があった。また、触媒特性が飽和する値を超えて過剰な貴金属粒子量を担持させることにより製造コストが増加するという問題点もあった。
However, in the exhaust gas purification filter described in
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、炭化ケイ素粒子に対して最適な量の貴金属粒子を担持させることで、粒子状物質の捕集性を向上させつつ圧力損失の上昇を抑制し、耐久性の向上と粒子状物質の燃焼温度を低下させることができ、さらには、炭化ケイ素粒子に対する貴金属粒子の担持量を最適化することで製造コストの点でも優れている排ガス浄化フィルタを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and by supporting an optimal amount of noble metal particles with respect to silicon carbide particles, it is possible to increase the pressure loss while improving the collection of particulate matter. Exhaust gas purification filter that can suppress, improve the durability and lower the combustion temperature of particulate matter, and is also excellent in manufacturing cost by optimizing the amount of noble metal particles supported on silicon carbide particles The purpose is to provide.
本発明者等は、自動車等のディーゼルエンジンから排出される排ガス中に含まれる一酸化炭素(CO)、炭化水素(HC)、窒素酸化物(NOx)、粒子状物質(PM)等の物質を効率的に浄化する排ガス浄化フィルタについて鋭意検討を重ねた結果、排ガス浄化フィルタを構成するフィルタ基体の表面の多孔質膜に含まれる酸化触媒粒子を、炭化ケイ素粒子の表面に貴金属粒子を担持し、この貴金属粒子を酸化物層により覆った状態で担持し、この炭化ケイ素粒子の質量(Ms)に対する貴金属粒子の質量(Mn)の比(Mn/Ms)を0.005以上かつ0.15以下の範囲とすれば、貴金属粒子と酸化物層との相互作用により、PMの燃焼温度の低下が可能であり、フィルタの耐久性を向上をも可能であること、さらには炭化ケイ素粒子に対して最適な担持量の貴金属粒子を担持することでコスト的にも優れた排ガス浄化フィルタが得られることを見出し、本発明を完成するに至った。 The present inventors have added substances such as carbon monoxide (CO), hydrocarbon (HC), nitrogen oxide (NOx), and particulate matter (PM) contained in exhaust gas discharged from diesel engines such as automobiles. As a result of intensive studies on an exhaust gas purification filter that efficiently purifies, the oxidation catalyst particles contained in the porous film on the surface of the filter base constituting the exhaust gas purification filter are supported on the surface of the silicon carbide particles, and noble metal particles are supported on the surface of the silicon carbide particles. The noble metal particles are supported in a state covered with an oxide layer, and the ratio (Mn / Ms) of the mass (Mn) of the noble metal particles to the mass (Ms) of the silicon carbide particles is 0.005 or more and 0.15 or less. If it is within the range, the combustion temperature of PM can be lowered by the interaction between the noble metal particles and the oxide layer, the durability of the filter can be improved, and further the silicon carbide particles It found that excellent exhaust gas purification filter in cost by carrying obtain a noble metal particles of the optimum supported amount relative to, and have completed the present invention.
すなわち、本発明の排ガス浄化フィルタは、排ガスに含まれる粒子状物質を多孔質体からなるフィルタ基体を通過させることにより捕集し前記排ガスを浄化する排ガス浄化フィルタであって、前記フィルタ基体は、多孔質体からなる隔壁と、該隔壁により形成されるとともに粒子状物質を含む排ガスの流入側端部が開放された流入側ガス流路と、前記フィルタ基体の前記流入側ガス流路と異なる位置に設けられ、前記隔壁により形成されるとともに排ガスの流出側端部が開放された流出側ガス流路と、を備え、前記隔壁の少なくとも前記流入側ガス流路側の表面に、酸化触媒粒子を含有しかつ前記隔壁より小さな気孔径を有する多孔質膜が形成され、前記酸化触媒粒子は、炭化ケイ素粒子の表面に貴金属粒子が担持され、該貴金属粒子は酸化物層により覆われた状態で担持され、前記炭化ケイ素粒子の質量(Ms)に対する前記貴金属粒子の質量(Mn)の比(Mn/Ms)は0.005以上かつ0.15以下の範囲であることを特徴とする。 That is, the exhaust gas purification filter of the present invention is an exhaust gas purification filter that traps particulate matter contained in exhaust gas by passing through a filter base made of a porous body and purifies the exhaust gas, wherein the filter base is A partition wall made of a porous body, an inflow side gas passage formed by the partition wall and having an inflow end portion of an exhaust gas containing particulate matter open, and a position different from the inflow side gas passage of the filter base And an outflow side gas passage formed by the partition wall and having an exhaust gas outflow side end portion opened, and containing oxidation catalyst particles on at least the surface of the partition wall on the inflow side gas channel side And a porous membrane having a pore size smaller than that of the partition wall is formed, and the oxidation catalyst particles have noble metal particles supported on the surface of the silicon carbide particles, and the noble metal particles are oxidized. The ratio (Mn / Ms) of the mass (Mn) of the noble metal particles to the mass (Ms) of the silicon carbide particles supported in a state covered with a layer is in the range of 0.005 or more and 0.15 or less. It is characterized by.
前記酸化物層は、非晶質のSiOxCy(ただし、0<x≦3、0≦y≦3)からなることが好ましい。
前記酸化物層は、非晶質のSiOxCy(ただし、0<x≦3、0≦y≦3)を含有してなることが好ましい。
前記酸化物層は、さらに、SiO2、SiO、SiOC3、SiO2C2及びSiO3Cの群から選択される1種または2種以上の結晶質を含有してなることとしてもよい。
前記炭化ケイ素粒子の平均一次粒子径は、0.01μm以上かつ10μm以下であることが好ましい。
前記貴金属粒子の平均一次粒子径は、1nm以上かつ50nm以下であることが好ましい。
The oxide layer is preferably made of amorphous SiO x C y (where 0 <x ≦ 3, 0 ≦ y ≦ 3).
The oxide layer preferably contains amorphous SiO x C y (where 0 <x ≦ 3, 0 ≦ y ≦ 3).
The oxide layer may further contain one or more crystalline materials selected from the group consisting of SiO 2 , SiO, SiOC 3 , SiO 2 C 2 and SiO 3 C.
The average primary particle diameter of the silicon carbide particles is preferably 0.01 μm or more and 10 μm or less.
The average primary particle diameter of the noble metal particles is preferably 1 nm or more and 50 nm or less.
本発明の排ガス浄化フィルタによれば、フィルタ基体の表面の多孔質膜に含まれる酸化触媒粒子を、炭化ケイ素粒子の表面に貴金属粒子を担持し、この貴金属粒子を酸化物層により覆った状態で担持し、この炭化ケイ素粒子の質量(Ms)に対する貴金属粒子の質量(Mn)の比(Mn/Ms)を0.005以上かつ0.15以下の範囲としたので、多孔質膜によるPM捕集性の向上と圧力損失増加の抑制だけでなく、この貴金属粒子と酸化物層との界面における相互作用により、PMの燃焼温度を低下させることができる。したがって、排ガス浄化フィルタにおけるフィルタ特性の向上と耐久性の向上を両立させることができる。
以上により、エンジンに対して過剰な負荷を掛けることがなく、燃費を悪化させることもなく、良好な特性を有する排ガス浄化フィルタを提供することができる。
According to the exhaust gas purification filter of the present invention, the oxidation catalyst particles contained in the porous membrane on the surface of the filter base are supported by the noble metal particles on the surface of the silicon carbide particles, and the noble metal particles are covered with the oxide layer. Since the ratio (Mn / Ms) of the mass (Mn) of the noble metal particles to the mass (Ms) of the silicon carbide particles is in the range of 0.005 or more and 0.15 or less, PM collection by the porous film The combustion temperature of PM can be lowered by not only the improvement of the property and suppression of the increase in pressure loss but also the interaction at the interface between the noble metal particles and the oxide layer. Therefore, it is possible to achieve both improvement in filter characteristics and improvement in durability in the exhaust gas purification filter.
As described above, an exhaust gas purification filter having good characteristics can be provided without applying an excessive load to the engine and without deteriorating fuel consumption.
本発明の排ガス浄化フィルタを実施するための形態について説明する。
なお、この形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
The form for implementing the exhaust gas purification filter of this invention is demonstrated.
This embodiment is specifically described for better understanding of the gist of the invention, and does not limit the present invention unless otherwise specified.
[排ガス浄化フィルタ]
本発明の一実施形態の排ガス浄化フィルタについて説明する。ここでは、自動車用ディーゼルエンジンに用いられる排ガス浄化フィルタであるセラミックス製の目封じタイプのハニカム構造体を有するDPFを例にとり説明する。
[Exhaust gas purification filter]
An exhaust gas purification filter according to an embodiment of the present invention will be described. Here, a description will be given by taking as an example a DPF having a plugged ceramic honeycomb structure, which is an exhaust gas purification filter used in an automobile diesel engine.
図1は、本発明の一実施形態の排ガス浄化フィルタの一例であるDPFを示す一部破断斜視図であり、図2は、図1中符号βで示す面におけるDPFの隔壁構造を示す断面図である。
このDPF1は、多数の細孔(気孔)を有する円柱状の多孔質セラミックス(多孔質体)からなるフィルタ基体2に排ガスGを通過させることにより、排ガスGに含まれる粒子状物質(PM)を捕集し、排ガスGを浄化する排ガス浄化フィルタである。なお、DPFは円柱状である必要は無く、角柱状や楕円柱状のような形状でもよい。
FIG. 1 is a partially broken perspective view showing a DPF as an example of an exhaust gas purifying filter according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view showing a partition structure of the DPF in a plane indicated by β in FIG. It is.
The
このフィルタ基体2は、多孔質体からなる隔壁3によりガス流路4が形成され、このガス流路4は、排ガスGの流れ方向(長手方向)から見た場合に、上流側端部と下流側端部とが交互に閉塞された構造、すなわち、排ガスGの流入側である粒子状物質を含む排ガスGの流入側端部が開放された流入セル(流入側ガス流路)4Aと、この流入セル4Aと異なる位置に形成されて排ガスGの流出側端部が開放された流出セル(流出側ガス流路)4Bとにより構成され、ガス流路4のうち排ガスGの上流側端部(流入側端部)が開放された流入セル4Aの内壁面4aには、酸化触媒粒子を含有しかつフィルタ基体2より小さな気孔径を有する多孔質膜5が形成されている。
In the
このDPF1における排ガスの流れを示すと、図2に示すようになる。
流入面側、すなわち端面α側から流入したPM20を含む排ガスGは、流入面に開口している流入セル4AからDPF1内に流入し、流入セル4A内を端面α側から端面γ側へと流れる過程で、フィルタ基体2の隔壁3を通過する。この際、排ガスG中に含まれるPM20は、流入セル4Aの内壁面4a(流入セル4Aを構成する隔壁3の表面)に設けられた多孔質膜5により捕集されて除去され、粒子状物質20が除去された浄化ガスCは、流出セル4B内を端面α側から端面γ側へと流れ、流出セル4Bの開口端(端面γ)からフィルタ外へ排出される。
The flow of exhaust gas in the
The exhaust gas G containing PM20 that has flowed in from the inflow surface side, that is, the end surface α side, flows into the
フィルタ基体2は、炭化ケイ素、コーディエライト、チタン酸アルミニウム、窒化ケイ素等の耐熱性の多孔質セラミックスからなるハニカム構造体である。フィルタ基体2には、排ガスGの流れ方向である軸方向に沿って延びる隔壁3が形成されており、隔壁3により囲まれた軸方向の中空の領域が多数の流入セル4A及び流出セル4Bからなるセル状のガス流路4とされている。
ここで、本実施形態における「ハニカム構造」とは、フィルタ基体2に複数の流入セル4A及び流出セル4Bが互い平行となるように、かつ流入セル4Aと流出セル4Bとは一方が他方を囲むとともに一方の開口端と他方の開口端とが互いに反対方向となるように形成された構造である。
The
Here, the “honeycomb structure” in the present embodiment means that the plurality of
流入セル4A及び流出セル4B、すなわちガス流路4の軸方向に直交する方向の断面形状は、ここでは四角形状としたが、四角形状に限らず、六角形状等の多角形状、円形状、楕円形状等、種々の断面形状とすることができる。また、フィルタ基体2の外周付近に形成されたガス流路4は、断面形状の一部が円弧状となっているが、これはフィルタ基体2の外周付近まで隙間無くガス流路4を配置するために、フィルタ基体2の外形状に倣う断面形状のガス流路4としたものである。
The cross-sectional shape of the
多孔質セラミックスからなる隔壁3の平均気孔径は、5μm以上かつ50μmであることが好ましい。平均気孔径が5μmを下回ると、隔壁3自体による圧力損失が大きくなるため好ましくない。一方、平均気孔径が50μmを上回ると、隔壁3の強度が十分でなくなる虞があり、また、隔壁3上に多孔質膜5を形成するのが困難になるので好ましくない。
The average pore size of the
また、多孔質膜5は、流入セル4Aの内壁面4aに形成された多孔質膜であり、フィルタ基体2の隔壁3を構成する多孔質セラミックスの細孔内にあまり入り込むことなく、流入セル4Aの内壁面4a上に独立した膜として形成されている。すなわち、多孔質膜5は、隔壁3に形成されている気孔の入口部分までしか侵入しない状態で流入セル4Aの内壁面4aに形成されている。そして、多孔質膜5は、多数の気孔を有することにより、これらの気孔が連通し、結果として、貫通孔を有するフィルタ状多孔質となっている。
The
この多孔質膜5の気孔率は、50%以上かつ90%以下であることが好ましく、より好ましくは60%以上かつ85%以下である。
気孔率が50%未満では、多孔質膜5の平均気孔率が隔壁3の気孔率と同等か低くなるために、圧力損失を招く虞がある。また、気孔率が90%を超えると、多孔質膜5の械的強度が低下するために、多孔質膜5自体の変形や内壁面4aからの剥がれが発生し、酸化触媒作用が低下する虞がある。
The porosity of the
If the porosity is less than 50%, the average porosity of the
多孔質膜5の厚み(膜厚)は、内壁面4aにて隔壁3が有する空孔部と平面的に重なる箇所においては60μm以下であり、かつ内壁面4aにて隔壁3の固体部と平面的に重なる箇所においては5μm以上かつ60μm以下であることが好ましい。
ここで「空孔部」とは、隔壁3における気孔が、内壁面4a上に開口している開口部を示し、多孔質膜13の下には膜を保持する基材が無い部分である。また「固体部」とは、空孔部を除いた部分、すなわち隔壁3を構成するセラミックス材料が、内壁面4a上に存在する部分を示している。
The thickness (film thickness) of the
Here, the “hole portion” refers to an opening portion in which pores in the
多孔質膜5の膜厚が上記の範囲内であれば、多孔質膜5の表面における気流が隔壁3の状態によらずほぼ均一になることから、圧力損失が低減され、またPM20が多孔質膜5上に均一に捕集されるので、良好なフィルタ特性が維持される。また、フィルタの再生処理時においても、捕集されたPM20を燃焼させるための燃焼ガスが、堆積したPM20に対して均一に流れることができるので、燃焼効率の向上を図ることができる。
If the film thickness of the
一方、多孔質膜5の厚みが5μm未満と薄い場合には、多孔質膜5の表面の固体部と平面的に重なる箇所において気流量が減少し、多孔質膜5の表面の気流が不均一となるために、フィルタ特性が悪化する。また多孔質膜5の厚みが60μmを超えると、多孔質膜5による圧力損失が過大となり好ましくない。
On the other hand, when the thickness of the
本実施形態の排ガス浄化フィルタ(DPF1)では、この多孔質膜5において、PM20の捕集作用と、捕集されたPM20の燃焼触媒作用を併せ持つことが好ましい。多孔質膜5がPM捕集作用とPM燃焼触媒作用を併せ持つことにより、捕集されたPMをその場で容易に燃焼除去できるので、触媒作用を効果的に発現できるからである。
In the exhaust gas purification filter (DPF1) of the present embodiment, it is preferable that the
ここで、多孔質膜5にPM捕集作用を持たせるためには、多孔質膜5の平均気孔径を隔壁3の平均気孔径より小さくする必要がある。具体的には0.05μm以上かつ3μm以下であることが好ましく、0.07μm以上かつ2.5μm以下であればより好ましい。
ここで、平均気孔径が0.05μm未満では、PM20を含む排ガスGが多孔質膜5を通過する場合の圧力損失が大きくなり好ましくない。一方、平均気孔径が3μmを超えると、多孔質膜5の気孔径と隔壁3の気孔径とが実質的に同等となり、多孔質膜5でのPM捕集性が低下するほか、隔壁3で捕集されたPM20は多孔質膜5と接していないため、DPF1の再生処理時に触媒効果が得られず、PM燃焼効率の向上が図れない。
Here, in order for the
Here, if the average pore diameter is less than 0.05 μm, the pressure loss when the exhaust gas G containing PM20 passes through the
多孔質膜5の平均気孔径を上記の範囲とするためには、多孔質膜5を形成する炭化ケイ素粒子21の平均一次粒子径の範囲が0.01μm以上かつ10μmであることが好ましく、より好ましくは0.02μm以上かつ7μm以下、さらに好ましくは0.035μm以上かつ5μmである。ここで、炭化ケイ素粒子21の平均一次粒子径が0.01μm未満では、得られる多孔質膜13の気孔径が小さくなりすぎるので好ましくなく、一方、平均一次粒子径が10μmを超えると、得られる多孔質膜13の気孔径が大きくなりすぎるので好ましくない。
In order to set the average pore diameter of the
なお、この炭化ケイ素粒子21においては、後述する酸化触媒粒子11と同様、表面に非晶質の酸化物層22が形成されていることが好ましい。その理由は、炭化ケイ素粒子21表面の酸化物層22が酸素の吸着・脱離性能を有することから、この表面酸化物層形成炭化ケイ素粒子が酸化・分解能力を有しており、よって同粒子自体がPMの燃焼触媒効果やCO、HC、NOxの酸化・分解作用を有し、酸化触媒粒子11への補助的作用を生じさせることができるからである。
In addition, it is preferable that the amorphous oxide layer 22 is formed on the surface of the silicon carbide particles 21 like the
このような平均一次粒子径が0.01μm以上かつ10μm以下の炭化ケイ素粒子21を得る方法としては、非酸化性雰囲気下にて、高温、高活性を有し、高速冷却プロセスの導入が容易である熱プラズマを利用した熱プラズマ法が挙げられる。この製造方法は、平均一次粒子径が0.01μm以上かつ10μm以下の結晶性に優れた炭化ケイ素ナノ粒子を製造する方法として有用であり、高純度の原料を選択することにより、不純物の含有量が極めて少ない炭化ケイ素ナノ粒子を得ることが可能である。 As a method for obtaining such silicon carbide particles 21 having an average primary particle diameter of 0.01 μm or more and 10 μm or less, it has high temperature and high activity in a non-oxidizing atmosphere, and it is easy to introduce a high-speed cooling process. There is a thermal plasma method using a certain thermal plasma. This production method is useful as a method for producing silicon carbide nanoparticles having an average primary particle diameter of 0.01 μm or more and 10 μm or less and having excellent crystallinity. By selecting a high-purity raw material, the content of impurities It is possible to obtain silicon carbide nanoparticles with very little.
また、シリカ前駆体焼成法も挙げることができる。この方法は、有機ケイ素化合物、ケイ素ゾル、ケイ酸ヒドロゲル等のケイ素を含む物質と、フェノール樹脂等の炭素を含む物質と、炭化ケイ素の粒成長を抑制するリチウム等の金属化合物とを含む混合物を、非酸化性雰囲気下にて焼成することにより、炭化ケイ素粒子を得る方法である。
また、必要に応じて、アチソン法、シリカ還元法、シリコン炭化法等を用いて得ることもできる。
なお、後述する酸化触媒粒子11に用いられる炭化ケイ素粒子12も、同様の方法を用いて得ることができる。
Moreover, the silica precursor baking method can also be mentioned. In this method, a mixture containing a silicon-containing substance such as an organosilicon compound, silicon sol, or silicic acid hydrogel, a carbon-containing substance such as a phenol resin, and a metal compound such as lithium that suppresses grain growth of silicon carbide is obtained. In this method, silicon carbide particles are obtained by firing in a non-oxidizing atmosphere.
If necessary, it can also be obtained by using the Atchison method, the silica reduction method, the silicon carbonization method or the like.
In addition, the
また、多孔質膜5にPM燃焼触媒作用を持たせるためには、多孔質膜5に酸化触媒粒子11を含有させる。図3は、この多孔質膜5に含まれる酸化触媒粒子11を示す断面図であり、この酸化触媒粒子11は、炭化ケイ素粒子12の表面に貴金属粒子13が担持され、この貴金属粒子13は非晶質の酸化物層14により覆われた状態で担持されており、炭化ケイ素粒子12の質量(Ms)に対する貴金属粒子13の質量(Mn)の比(Mn/Ms)は0.005以上かつ0.15以下の範囲である。
なお、図3においては、炭化ケイ素粒子12の表面に担持される貴金属粒子13の個数を1個としているが、貴金属粒子13の数に制限は無く、複数個の貴金属粒子13を担持していてもよい。
Further, in order to give the porous membrane 5 a PM combustion catalytic action, the
In FIG. 3, the number of the
炭化ケイ素粒子12としては、平均一次粒子径が0.01μm以上かつ5μm以下が好ましく、より好ましくは0.02μm以上かつ3μm以下、さらに好ましくは0.035μm以上かつ1μm以下である。
ここで、炭化ケイ素粒子12の平均一次粒子径が0.01μm未満では、この炭化ケイ素粒子12の表面活性が高くなり過ぎてしまい、この酸化触媒粒子11を高温下で使用した際に、酸化触媒粒子11同士のシンタリング(粒成長)が進行して粒子径が粗大となり、触媒活性が低下するので好ましくない。一方、平均一次粒子径が5μmを越えると、炭化ケイ素粒子12の比表面積が減少するために、この炭化ケイ素粒子12に貴金属粒子を担持した場合に貴金属粒子13間の距離が短くなり、その結果、高温下での排ガス浄化フィルタの使用中に貴金属粒子13同士のシンタリング(粒成長)が進行し、触媒活性が低下するので好ましくない。
The
Here, if the average primary particle diameter of the
貴金属粒子13としては、白金(Pt)、金(Au)、銀(Ag)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)の群から選択される1種または2種以上を含有していることが好ましい。
中でも、特に、白金、金、パラジウム、イリジウムが、700℃以上の高温領域における耐久性が高く、かつ触媒機能が高いので好ましい。
The
Among these, platinum, gold, palladium, and iridium are particularly preferable because they have high durability in a high temperature region of 700 ° C. or higher and high catalytic function.
この貴金属粒子13の平均一次粒子径は、1nm以上かつ50nm以下であることが好ましく、より好ましくは1nm以上かつ30nm以下、さらに好ましくは1nm以上かつ10nm以下である。
ここで、平均一次粒子径を1nm以上かつ50nm以下と限定した理由は、平均一次粒径が1nm未満では、粒子径が小さすぎて表面活性が強くなりすぎてしまい、凝集し易くなるので、好ましくないからである。一方、平均一次粒径が50nmを超えると、貴金属粒子が炭化ケイ素粒子表面の酸化物層により覆いきれなくなり、酸化物層から突出して露出するようになるために、触媒特性が低下する虞があり、また、低温時における触媒活性が低下するので好ましくない。
The average primary particle diameter of the
Here, the reason why the average primary particle size is limited to 1 nm or more and 50 nm or less is preferable because the average primary particle size is less than 1 nm because the particle size is too small and the surface activity becomes too strong, and the particles easily aggregate. Because there is no. On the other hand, when the average primary particle size exceeds 50 nm, the noble metal particles cannot be covered with the oxide layer on the surface of the silicon carbide particles and are exposed to protrude from the oxide layer, so that the catalyst characteristics may be deteriorated. In addition, the catalytic activity at low temperatures is lowered, which is not preferable.
酸化物層4としては、SiOxCy(ただし、0<x≦3、0≦y≦3)にて表される非晶質のケイ素炭化酸化物またはケイ素酸化物が好ましい。なお、この酸化物層4の組成や構造は単一である必要はなく、酸化物層4の各部分におけるxおよびyの値は上記の範囲内で任意の値を取ることができる。
この酸化物層4は、結晶質であるSiO2、SiO、SiOC3、SiO2C2、SiO3Cの群から選択される1種または2種以上を含有していてもよい。このような結晶質を含有することにより、特に1000℃以上の高温下における安定性を向上させることができる。但し、酸化物層4は量的に微量であるから、この酸化物層4中に結晶質が含有されていることを確認することは難しい。
The
The
これら非晶質及び結晶質のケイ素炭化酸化物やケイ素酸化物の中でも、特に、ケイ素炭化酸化物(ケイ素と炭素と酸素を共に含む化合物)は、貴金属粒子3と結合し易いので好ましい。このケイ素炭化酸化物としては、非晶質のSiOxCy(ただし、0<x≦3、0≦y≦3)の他、SiOC3、SiO2C2、SiO3Cが挙げられるが、これらには限定されない。
Among these amorphous and crystalline silicon carbide oxides and silicon oxides, silicon carbide oxides (compounds containing both silicon, carbon, and oxygen) are particularly preferable because they are easily bonded to the
この酸化物層4は、その特性を損なわない範囲で、上記の非晶質のケイ素炭化酸化物またはケイ素酸化物以外の酸化物、例えば、酸化イットリウム(Y2O3)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化セリウム(CeO2)、酸化ネオジム(Nd2O3)、酸化チタン(TiO2)等を含有していてもよい。
The
この酸化触媒粒子11においては、炭化ケイ素粒子12の質量(Ms)に対する貴金属粒子13の質量(Mn)の比(Mn/Ms)は、0.005以上かつ0.15以下の範囲であることが必要である。この比(Mn/Ms)のより好ましい範囲は0.03以上かつ0.05以下の範囲である。
ここで、質量比を上記の範囲に限定した理由は、この範囲であれば、触媒1が貴金属粒子13の担持量に応じた触媒特性を示すことから、低温領域から高温領域に亘って高い触媒活性と高い耐久性を有し、かつ高価な貴金属粒子を用いる効果を十分に得ることができる触媒1を得ることができるからである。
In this
Here, the reason why the mass ratio is limited to the above range is that, in this range, the
ここで、質量比(Mn/Ms)が0.005未満であると、貴金属粒子13と、酸化物層14に含まれる非晶質のSiOxCy(ただし、0<x≦3、0≦y≦3)の界面数が少なく、よって、界面相互作用の効果が小さく、良好な触媒特性が得られない。
一方、質量比(Mn/Ms)が0.15を超えると、貴金属粒子13の数が多すぎるために、酸化物層14に覆われる貴金属粒子13の数が限られてしまい、貴金属粒子13と、酸化物層14に含まれる非晶質のSiOxCy(ただし、0<x≦3、0≦y≦3)の界面数が飽和に達する。さらに、酸化物層14に覆われていない貴金属粒子13があるので、これらの貴金属粒子13同士がシンタリング(粒成長)を生じ易くなるが、粒成長した貴金属粒子13は、その比表面積が減少するので、結果として、触媒活性の低下につながる。このように、貴金属粒子13の担持量を増加しても触媒特性が向上せず、結果としてコストアップにつながるので好ましくない。
Here, when the mass ratio (Mn / Ms) is less than 0.005, the amorphous SiO x C y contained in the
On the other hand, when the mass ratio (Mn / Ms) exceeds 0.15, the number of the
この酸化触媒粒子11は、貴金属粒子13と非晶質の酸化物層14の界面における相互作用により、高い触媒能力を有している。
この酸化触媒粒子11は、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等の内燃機関からの排ガス中に含まれるPMを浄化するのに好適であり、例えば、ガソリン車、ディーゼル車等の自動車に用いることができる。
The
The
ここで,多孔質膜5におけるPM捕集作用とPM燃焼触媒作用とを比較すると、PM捕集作用の場合、構成粒子は炭化ケイ素粒子21の単体でもよいが、好ましくは表面に酸化物層22が形成された炭化ケイ素粒子21であり、その平均一次粒子径の好ましい範囲は0.01μm以上かつ10μm以下である。一方、PM燃焼触媒作用の場合、構成粒子は酸化触媒粒子11であって、この粒子は表面に貴金属微粒子13が担持され、この貴金属微粒子13が酸化物層14により覆われた炭化ケイ素粒子12であり、その平均一次粒子径の好ましい範囲は0.01μm以上かつ5μm以下である。すなわち、両粒子の好適な構成の間には、貴金属微粒子担持の有無と、平均一次粒子径の上限値に差異がある。
Here, when the PM trapping action and the PM combustion catalytic action in the
そこで、この多孔質膜5がPM捕集作用とPM燃焼触媒作用とを併せ持つようにする場合、炭化ケイ素粒子21(酸化物層22を含む)と酸化触媒粒子11とを、目的とする特性に合わせて適宜組み合わせればよい。
例えば、PM捕集作用を重視するのであれば、炭化ケイ素粒子21(酸化物層22を含む)を主体として一部に酸化触媒粒子11を含ませればよく、PM燃焼触媒作用を重視するのであれば、酸化触媒粒子11を主体とするか、多孔質膜5の全体を酸化触媒粒子11で構成してもよい。
また、多孔質膜5における気孔径拡大が必要で、かつPM燃焼触媒作用が求められるような場合には、炭化ケイ素粒子12の平均一次粒子径を10μm以下とした酸化触媒粒子11を用いてもよい。炭化ケイ素粒子12の平均一次粒子径が5μmを超えた場合であっても、酸化触媒粒子11の触媒特性が急激に減少するものではないからである。
Therefore, when the
For example, if importance is attached to the PM trapping action, the
Further, when the pore diameter in the
本実施形態の排ガス浄化フィルタ(DPF1)では、この多孔質膜5に排ガスGが流入すると、この排ガスGが多孔質膜5の気孔を通過する段階で排ガス中に含まれるPM20が多孔質膜5に含まれる酸化触媒粒子11に捕集・堆積され、PM20が除去された浄化ガスCが大気中へ排出される。
次いで、多孔質膜5に堆積したPM20は、DPF1の温度を上昇させる等により燃焼され、PMを構成しているカーボンが酸化されてCO2となって除去される。ここで、捕集されたPM20は、多孔質膜5に含まれる酸化触媒粒子11と接触ないしは近接しているので、この酸化触媒粒子11の触媒効果により高い効率で燃焼除去される。
In the exhaust gas purification filter (DPF 1) of the present embodiment, when the exhaust gas G flows into the
Next, the
なおここで、本実施形態においては、酸化触媒粒子11の触媒特性、すなわち酸化触媒活性が高いことから、PM20の燃焼温度を下げることができる。ここで、PM20の燃焼開始温度をDPF1を通過する排ガスの温度以下とすることができれば、多孔質膜5で捕集されたPM20は、捕集後速やかに燃焼除去(PMを構成するカーボンのCO2への酸化)されるから、このDPF1はPMの捕集と燃焼を同時に行う連続再生方式とすることができる。このような連続再生方式のDPF1では、PMを燃焼させるための温度上昇が不要となるので、DPF1の特性劣化を防ぎ耐久性を向上させることができる。
In this embodiment, since the catalytic characteristics of the
また、この排ガスG中にはCO、HC、NOx等も含まれるが、多孔質膜5中を排ガスGが流れる過程で、これらの物質も酸化触媒粒子11と接触する。そこで、PMが多孔質膜5に捕集・堆積される際の条件を制御することにより、PMの捕集・堆積を行いつつ、酸化触媒粒子11を用いてCOをCO2に、HCをH2OとCO2に、NOxをNO2に、それぞれ酸化・分解させることができる。
以上により、DPFに、PM処理効果に加えて、CO、HC、NOx等の有害成分の処理効果も併せて持たせることができる。
The exhaust gas G also contains CO, HC, NOx, etc., but these substances also come into contact with the
As described above, in addition to the PM treatment effect, the DPF can also have a treatment effect for harmful components such as CO, HC, NOx.
さらにまた、PMの捕集と燃焼(PMを構成するカーボンのCO2への酸化)を同時に行う連続再生方式の条件下で、CO、HC、NOx等の酸化・分解を同時に行うことにより、排ガス中に含まれる有害成分や粒子状物質の無害化処理を連続処理として行うこともできる。
なお、PMの燃焼除去及びCO、HC、NOx等の酸化・分解により生成されるCO2、H2O、NO2の内、CO2及びH2Oはそのまま大気中へ排出され、一方、NO2は還元されて無害なN2とされた後に、大気中へ排出される。
以上により、排ガス中に含まれる粒子状物質(PM)及び有害成分であるCO、HC、NOx等が分解除去された浄化ガスを、大気中へ排出することができる。
Furthermore, exhaust gas can be obtained by simultaneously oxidizing and decomposing CO, HC, NOx, etc. under the conditions of a continuous regeneration system in which PM is simultaneously collected and burned (oxidation of carbon constituting the PM to CO 2 ). Detoxification treatment of harmful components and particulate matter contained therein can be performed as a continuous treatment.
Of CO 2 , H 2 O, and NO 2 produced by combustion removal of PM and oxidation / decomposition of CO, HC, NOx, etc., CO 2 and H 2 O are directly discharged into the atmosphere, while NO 2 2 is reduced to harmless N 2 and then discharged into the atmosphere.
As described above, the purified gas from which particulate matter (PM) contained in the exhaust gas and harmful components such as CO, HC, and NOx are decomposed and removed can be discharged into the atmosphere.
[排ガス浄化フィルタの製造方法]
上記の排ガス浄化フィルタの製造方法は、母材となる炭化ケイ素粒子を準備する母材準備工程([A]工程)と、この炭化ケイ素粒子の表面に貴金属粒子を担持する貴金属粒子担持工程([B]工程)と、この貴金属粒子が担持された炭化ケイ素粒子をフィルタ基体を構成する多孔質体からなる隔壁へ担持させて多孔質膜を形成する多孔質膜形成工程([C]工程)と、この貴金属粒子が担持された炭化ケイ素粒子の表面に貴金属粒子を覆うように非晶質の酸化物層を形成する酸化物層形成工程([D]工程)と、を有する。
なお、本実施形態の排ガス浄化フィルタにおいては、多孔質膜5を構成する粒子として酸化触媒粒子11以外に炭化ケイ素粒子21を含む場合があるが、この炭化ケイ素粒子21は積極的な触媒作用は有さないことから、炭化ケイ素粒子21については記載を省略する。
[Manufacturing method of exhaust gas purification filter]
The above exhaust gas purification filter manufacturing method includes a base material preparation step ([A] step) for preparing silicon carbide particles as a base material, and a noble metal particle support step ([[ B] step), and a porous membrane forming step ([C] step) in which the silicon carbide particles carrying the noble metal particles are carried on the partition walls made of a porous body constituting the filter base to form a porous membrane (step [C]). And an oxide layer forming step ([D] step) of forming an amorphous oxide layer so as to cover the noble metal particles on the surface of the silicon carbide particles carrying the noble metal particles.
In the exhaust gas purification filter of the present embodiment, there are cases where silicon carbide particles 21 are included as particles constituting the
これら[A]工程〜[D]工程の順番は、母材準備工程([A]工程)は当然ながら最初でなければならないこと、酸化物層形成工程([D]工程)は貴金属粒子が担持された炭化ケイ素粒子に対して行う必要があること(炭化ケイ素粒子だけでは不可であること)、という条件を満たす限り、任意の順番を選択することができる。なお、ここで、酸化物層形成工程([D]工程)を貴金属粒子が担持された炭化ケイ素粒子に対して行う必要がある理由は、炭化ケイ素粒子に酸化物層を形成した後に貴金属粒子を担持しても十分な酸化触媒特性が得られないからである。
また、貴金属粒子担持工程([B]工程)と多孔質膜形成工程([C]工程)とは、共に、溶媒(分散媒)への溶解または分散、溶媒(分散媒)の乾燥除去、熱処理、という類似の作業工程を有するので、両工程を同時に並行して行うことができる。
Of course, the order of these [A] to [D] steps is that the base material preparation step ([A] step) must be first, and the oxide layer forming step ([D] step) is supported by noble metal particles. Any order can be selected as long as the condition that it is necessary to be performed on the silicon carbide particles thus formed (which is not possible with silicon carbide particles alone) is satisfied. Here, the reason that the oxide layer forming step ([D] step) needs to be performed on the silicon carbide particles on which the noble metal particles are supported is that the noble metal particles are formed after the oxide layer is formed on the silicon carbide particles. This is because sufficient oxidation catalyst characteristics cannot be obtained even when supported.
In addition, the noble metal particle supporting step ([B] step) and the porous film forming step ([C] step) are both dissolved or dispersed in a solvent (dispersion medium), dried and removed of the solvent (dispersion medium), and heat treatment. , So that both processes can be performed simultaneously in parallel.
以上のことから、この排ガス浄化フィルタの製造方法では、次のような4種類の工程順を選択することができる。なお、ある工程の後に次の工程を行う場合は「→(右矢印)」で、2つの工程を同時に行う場合は「=」で示すこととする。 From the above, in the exhaust gas purification filter manufacturing method, the following four kinds of process orders can be selected. It should be noted that “→ (right arrow)” indicates that the next step is performed after a certain step, and “=” indicates that the two steps are performed simultaneously.
(1):[A]→[B]→[C]→[D]
母材となる炭化ケイ素粒子を準備し、次いで、この炭化ケイ素粒子の表面に貴金属粒子を担持し、次いで、この貴金属粒子が担持された炭化ケイ素粒子をフィルタ基体を構成する多孔質体からなる隔壁へ担持させて多孔質膜を形成し、次いで、この貴金属粒子が担持された炭化ケイ素粒子の表面に貴金属粒子を覆うように非晶質の酸化物層を形成する方法である。
(1): [A] → [B] → [C] → [D]
A partition comprising a porous body that prepares silicon carbide particles as a base material, and then supports noble metal particles on the surface of the silicon carbide particles, and then includes the silicon carbide particles supported by the noble metal particles. To form a porous film, and then an amorphous oxide layer is formed so as to cover the noble metal particles on the surface of the silicon carbide particles on which the noble metal particles are supported.
(2):[A]→[B]→[D]→[C]
母材となる炭化ケイ素粒子を準備し、次いで、この炭化ケイ素粒子の表面に貴金属粒子を担持し、次いで、この貴金属粒子が担持された炭化ケイ素粒子の表面に貴金属粒子を覆うように非晶質の酸化物層を形成し、次いで、この表面被覆貴金属粒子担持炭化ケイ素粒子を用いてフィルタ基体に多孔質膜を形成する方法である。
(2): [A] → [B] → [D] → [C]
Preparing silicon carbide particles as a base material, then supporting noble metal particles on the surface of the silicon carbide particles, and then amorphous so as to cover the noble metal particles on the surface of the silicon carbide particles on which the noble metal particles are supported And then forming a porous film on the filter substrate using the surface-coated noble metal particle-supported silicon carbide particles.
(3):[A]→[C]→[B]→[D]
母材となる炭化ケイ素粒子を準備し、次いで、この炭化ケイ素粒子を用いてフィルタ基体に多孔質膜を形成し、次いで、この多孔質膜に貴金属粒子を担持させ、次いで、この貴金属粒子を担持させた多孔質膜に貴金属粒子を覆うように非晶質の酸化物層を形成する方法である。
(3): [A] → [C] → [B] → [D]
Preparing silicon carbide particles as a base material, and then forming a porous film on the filter substrate using the silicon carbide particles, and then supporting the noble metal particles on the porous film, and then supporting the noble metal particles In this method, an amorphous oxide layer is formed so as to cover the noble metal particles on the porous film formed.
(4):[A]→[B]=[C]→[D]
母材となる炭化ケイ素粒子を準備し、次いで、この炭化ケイ素粒子の表面への貴金属粒子の担持と、この炭化ケイ素粒子によるフィルタ基体の隔壁への多孔質膜の形成とを同時に行った後、貴金属粒子が担持された炭化ケイ素からなる多孔質膜の表面に酸化物層を形成する方法である。
(4): [A] → [B] = [C] → [D]
After preparing silicon carbide particles as a base material, and then simultaneously carrying the support of the noble metal particles on the surface of the silicon carbide particles and the formation of a porous film on the partition walls of the filter base by the silicon carbide particles, In this method, an oxide layer is formed on the surface of a porous film made of silicon carbide carrying precious metal particles.
次に、各工程について詳細に説明する。
「母材準備工程」
母材となる炭化ケイ素粒子を準備する工程である。
炭化ケイ素粒子の平均一次粒子径は、要求される排ガス浄化フィルタの特性に合わせて0.01μm以上かつ10μm以下の範囲で選定すればよい。この炭化ケイ素粒子は、既述の方法、すなわちナノメートルサイズの粒子であれば、熱プラズマ法やシリカ前駆体焼成法等、サブミクロンからミクロン(マイクロメートル)サイズの炭化ケイ素粒子であれば、アチソン法、シリカ還元法、シリコン炭化法等を用いて得ることができる。
Next, each step will be described in detail.
"Base material preparation process"
This is a step of preparing silicon carbide particles as a base material.
What is necessary is just to select the average primary particle diameter of a silicon carbide particle in the range of 0.01 micrometer or more and 10 micrometers or less according to the characteristic of the waste gas purification filter requested | required. The silicon carbide particles are sub-micron to micron (micrometer) size silicon carbide particles such as the thermal plasma method or the silica precursor firing method if the particles are nanometer-sized particles. It can be obtained using a method, a silica reduction method, a silicon carbonization method or the like.
「貴金属粒子担持工程」
母材となる炭化ケイ素粒子の表面、または炭化ケイ素粒子により形成された多孔質膜中の炭化ケイ素粒子の表面に貴金属粒子を担持し、貴金属担持炭化ケイ素粒子、あるいは貴金属担持炭化ケイ素粒子からなる多孔質膜とする工程である。
"Precious metal particle loading process"
Noble metal particles are supported on the surface of silicon carbide particles as a base material, or on the surface of silicon carbide particles in a porous film formed of silicon carbide particles, and porous composed of noble metal-supported silicon carbide particles or noble metal-supported silicon carbide particles. This is a process for forming a membrane.
初めに、貴金属源を溶媒中に溶解した溶液、または貴金属微粒子を分散媒中に分散させた分散液を作製する。溶媒や分散媒は水が好適であるが、貴金属源が水で分解・沈殿するような場合には、有機溶媒を用いてもよい。
この工程で用いられる貴金属源としては、白金(Pt)、金(Au)、銀(Ag)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)の群から選択される1種または2種以上の貴金属元素を含む塩類や化合物、例えば塩化物、硫酸塩、硝酸塩、有機酸塩、錯体(錯塩)、水酸化物等が挙げられる。
また、貴金属微粒子としては、上記の貴金属元素を主成分とする微粒子が挙げられる。
また、有機溶媒としては、極性溶媒が好ましく、アルコール類、ケトン類等が好適に用いられる。
First, a solution in which a noble metal source is dissolved in a solvent or a dispersion in which noble metal fine particles are dispersed in a dispersion medium is prepared. The solvent or dispersion medium is preferably water, but an organic solvent may be used when the noble metal source is decomposed and precipitated with water.
As a noble metal source used in this step, platinum (Pt), gold (Au), silver (Ag), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium (Os), iridium (Ir) Examples thereof include salts and compounds containing one or more kinds of noble metal elements selected from the group, such as chlorides, sulfates, nitrates, organic acid salts, complexes (complex salts), and hydroxides.
Examples of the noble metal fine particles include fine particles mainly composed of the noble metal element described above.
Moreover, as an organic solvent, a polar solvent is preferable and alcohol, ketones, etc. are used suitably.
次いで、この溶液または分散液中に炭化ケイ素粒子を浸漬・分散させるか、または炭化ケイ素粒子により形成された多孔質膜を浸漬した後、60℃ないし250℃程度の温度で乾燥し、溶媒や分散媒を除去する。これにより、炭化ケイ素粒子(多孔質層を形成しているものを含む)の表面に貴金属源や貴金属微粒子を付着させることができる。 Next, the silicon carbide particles are immersed / dispersed in this solution or dispersion, or a porous film formed of silicon carbide particles is immersed, and then dried at a temperature of about 60 ° C. to 250 ° C. Remove the medium. Thereby, the noble metal source and the noble metal fine particles can be attached to the surface of the silicon carbide particles (including those forming the porous layer).
次いで、貴金属源や貴金属微粒子が付着した炭化ケイ素粒子または多孔質膜を、水素や一酸化炭素等を含む還元雰囲気中、または窒素、アルゴン、ネオン、キセノン等の不活性雰囲気中にて熱処理する。
この熱処理時の温度や時間は、貴金属源や貴金属微粒子の種類や雰囲気条件等により適宜選択すればよいが、通常、熱処理温度は500℃以上かつ1500℃以下の範囲、熱処理時間は10分以上かつ24時間以下の範囲である。また、熱処理は1段階でもよく、温度や雰囲気を変えた複数段階で行ってもよい。
なお、必要以上の温度や時間は、炭化ケイ素粒子の焼結や生成した貴金属粒子のシンタリング(粒成長)を誘発する虞があるので好ましくない。
Next, the silicon carbide particles or porous film to which the noble metal source and the noble metal fine particles are attached are heat-treated in a reducing atmosphere containing hydrogen, carbon monoxide, or the like, or in an inert atmosphere such as nitrogen, argon, neon, or xenon.
The temperature and time during this heat treatment may be appropriately selected depending on the type of noble metal source and the noble metal fine particles, the atmospheric conditions, and the like. Usually, the heat treatment temperature ranges from 500 ° C. to 1500 ° C., the heat treatment time ranges from 10 minutes to The range is 24 hours or less. Further, the heat treatment may be performed in one stage, or may be performed in a plurality of stages with different temperatures and atmospheres.
In addition, since the temperature and time more than necessary may induce sintering of the silicon carbide particles and sintering (grain growth) of the generated noble metal particles, it is not preferable.
この工程においては、貴金属源は還元・分解されて貴金属となり、生成した貴金属微粒子が炭化ケイ素粒子表面あるいは多孔質層を形成する炭化ケイ素粒子表面に固着する。一方、貴金属微粒子は、還元雰囲気中や不活性雰囲気中にて熱処理しても、組成が変化することはなく、当初の微粒子の状態を維持した状態で、炭化ケイ素粒子表面あるいは多孔質層を形成する炭化ケイ素粒子表面に固着する。
以上の工程により、貴金属微粒子が表面に担持された炭化ケイ素粒子、または貴金属微粒子が表面に担持された炭化ケイ素粒子からなる多孔質膜を得ることができる。
In this step, the noble metal source is reduced and decomposed to become noble metal, and the produced noble metal fine particles are fixed to the silicon carbide particle surface or the silicon carbide particle surface forming the porous layer. On the other hand, noble metal fine particles, even when heat-treated in a reducing atmosphere or inert atmosphere, do not change in composition, and form the silicon carbide particle surface or porous layer while maintaining the original fine particle state. It adheres to the surface of silicon carbide particles.
Through the above steps, a porous film made of silicon carbide particles having noble metal particles supported on the surface or silicon carbide particles having noble metal particles supported on the surface can be obtained.
「多孔質膜形成工程」
この多孔質膜形成工程は、母材となる炭化ケイ素粒子、貴金属粒子を担持させた炭化ケイ素粒子、貴金属粒子が担持されるとともに表面に酸化物層が形成された炭化ケイ素粒子、のいずれかを分散媒中に分散させ、炭化ケイ素粒子分散液を作製する工程と、この炭化ケイ素粒子分散液をフィルタ基体を構成する多孔質体からなる隔壁に塗布(コート)した後乾燥し、得られた塗布膜を熱処理することにより炭化ケイ素粒子を部分焼結して多孔質膜を形成する工程とからなる。
"Porous membrane formation process"
This porous film forming step includes either silicon carbide particles as a base material, silicon carbide particles supporting noble metal particles, or silicon carbide particles supporting noble metal particles and having an oxide layer formed on the surface. A step of producing a silicon carbide particle dispersion by dispersing in a dispersion medium, and applying the resulting silicon carbide particle dispersion to a partition wall made of a porous body constituting a filter substrate, followed by drying and applying the resulting coating A step of partially sintering silicon carbide particles to form a porous film by heat-treating the film.
まず、上述した母材となる炭化ケイ素粒子、貴金属粒子を担持させた炭化ケイ素粒子、貴金属粒子が担持されるとともに表面に酸化物層が形成された炭化ケイ素粒子、のいずれかを、分散媒中に分散させ、炭化ケイ素粒子分散液を作製する。
この分散媒としては、炭化ケイ素粒子を均一に分散させることのできるものであればよく、水または有機溶媒が好適に用いられる。また、必要に応じて、高分子モノマーやオリゴマーの単体もしくはこれらの混合物を用いてもよい。
First, in the dispersion medium, any one of the above-described silicon carbide particles serving as a base material, silicon carbide particles supporting noble metal particles, and silicon carbide particles supporting noble metal particles and having an oxide layer formed on the surface thereof is used. To prepare a silicon carbide particle dispersion.
Any dispersion medium may be used as long as it can uniformly disperse the silicon carbide particles, and water or an organic solvent is preferably used. Moreover, you may use the polymer monomer, the single-piece | unit of an oligomer, or these mixtures as needed.
上記の有機溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、ジアセトンアルコール、フルフリルアルコール、エチレングリコール、ヘキシレングリコール等のアルコール類、酢酸メチルエステル、酢酸エチルエステル等のエステル類、ジエチルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテル(メチルセロソルブ)、エチレングリコールモノエチルエーテル(エチルセロソルブ)、エチレングリコールモノブチルエーテル(ブチルセロソルブ)、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジオキサン、テトラヒドロフラン等のエーテル類、アセトン、メチルエチルケトン、アセチルアセトン、アセト酢酸エステル等のケトン類、N,N−ジメチルホルムアミド等の酸アミド類、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素等が好適に用いられ、これらの溶媒のうち1種のみ、または2種以上を混合して用いることができる。 Examples of the organic solvent include alcohols such as methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, diacetone alcohol, furfuryl alcohol, ethylene glycol and hexylene glycol, and esters such as methyl acetate and ethyl acetate. , Diethyl ether, ethylene glycol monomethyl ether (methyl cellosolve), ethylene glycol monoethyl ether (ethyl cellosolve), ethylene glycol monobutyl ether (butyl cellosolve), ethers such as diethylene glycol monomethyl ether, diethylene glycol monoethyl ether, dioxane, tetrahydrofuran, acetone , Ketones such as methyl ethyl ketone, acetylacetone, acetoacetate, N, N-dimethylform Acid amides such as amide, toluene, aromatic hydrocarbons such as xylene are preferably used, it is possible to use a mixture of one only or two or more of these solvents.
上記の高分子モノマーとしては、アクリル酸メチル、メタクリル酸メチル等のアクリル系またはメタクリル系のモノマー、エポキシ系モノマー等を用いることができる。また、上記のオリゴマーとしては、ウレタンアクリレート系オリゴマー、エポキシアクリレート系オリゴマー、アクリレート系オリゴマー等を用いることができる。 Examples of the polymer monomer include acrylic or methacrylic monomers such as methyl acrylate and methyl methacrylate, and epoxy monomers. Moreover, as said oligomer, a urethane acrylate oligomer, an epoxy acrylate oligomer, an acrylate oligomer, etc. can be used.
この分散液は、分散安定性を確保したり、または塗布性を向上させたりするために、分散剤(表面処理剤)、界面活性剤、防腐剤、安定化剤、消泡剤、レベリング剤等を適宜添加してもよい。これらの分散剤、界面活性剤、防腐剤、安定化剤、消泡剤、レベリング剤等の添加量に特に制限はなく、添加する目的に応じて加えればよい。 In order to ensure dispersion stability or improve coating properties, this dispersion liquid may be used as a dispersant (surface treatment agent), surfactant, preservative, stabilizer, antifoaming agent, leveling agent, etc. May be added as appropriate. There is no restriction | limiting in particular in addition amount, such as these dispersing agents, surfactant, antiseptic | preservative, a stabilizer, an antifoamer, and a leveling agent, What is necessary is just to add according to the objective to add.
上記の分散工程に適用可能な装置としては、ニーダ、ロールミル、ピンミル、サンドミル、ボールミル、遊星ボールミル等があるが、炭化ケイ素粒子を分散媒体(メデイア)を用いて分散媒中に分散させるためには、サンドミル、ボールミル、遊星ボールミル等が好適である。
また、分散媒体(メデイア)としては、スチール、鉛等の金属類からなる芯材を樹脂にて被覆した樹脂被覆金属ボール、アルミナ、ジルコニア、シリカ、チタニア等の無機酸化物焼結体、窒化ケイ素等の窒化物焼結体、炭化ケイ素等のケイ化物焼結体、ソーダガラス、鉛ガラス、高比重ガラス等のガラスボール等が挙げられるが、本実施形態にて用いられる分散媒体としては、炭化ケイ素粒子を分散液に分散させ際の混合・分散効率の点から、比重が6以上の金属ボールや焼結体、例えば、ジルコニアまたはスチールを芯材とした樹脂被覆金属ボールまたは樹脂被覆無機酸化物ボール等が好ましい。
As an apparatus applicable to the above dispersion step, there are a kneader, a roll mill, a pin mill, a sand mill, a ball mill, a planetary ball mill, etc., but in order to disperse silicon carbide particles in a dispersion medium using a dispersion medium (media). A sand mill, a ball mill, a planetary ball mill and the like are suitable.
In addition, as a dispersion medium (media), a resin-coated metal ball in which a core material made of metals such as steel and lead is coated with a resin, an inorganic oxide sintered body such as alumina, zirconia, silica, and titania, silicon nitride Nitride sintered bodies such as silicon carbide sintered bodies such as silicon carbide, glass balls such as soda glass, lead glass, high specific gravity glass, etc. are mentioned, but the dispersion medium used in this embodiment is carbonized. From the viewpoint of mixing and dispersion efficiency when silicon particles are dispersed in a dispersion, a metal ball or sintered body having a specific gravity of 6 or more, for example, a resin-coated metal ball or a resin-coated inorganic oxide having zirconia or steel as a core material Balls and the like are preferred.
次いで、上記の炭化ケイ素粒子分散液を多孔質体からなる隔壁の表面に塗布し、乾燥させ、この隔壁の表面に塗膜を形成する。
また、多孔質体からなる隔壁を炭化ケイ素粒子分散液中に浸漬して引き上げ、その後乾燥させて塗膜を形成する方法であってもよい。
Next, the above-mentioned silicon carbide particle dispersion is applied to the surface of the partition wall made of a porous material and dried to form a coating film on the surface of the partition wall.
Alternatively, a method of forming a coating film by immersing a partition wall made of a porous material in a silicon carbide particle dispersion and pulling it up and then drying it may be used.
炭化ケイ素粒子分散液の塗布方法としては、バーコート法、スリップキャスト法、ウォッシュコート法、ディップコート法等、分散液を被処理物の表面に塗布する通常のウェットコート法等を用いることができる。
この際、分散液の粘度、隔壁に対する濡れ性、炭化ケイ素粒子の凝集状態等を制御することにより、分散液が隔壁の気孔の内部にあまり入り込まないようにすることで、隔壁の表面に、炭化ケイ素粒子からなる独立した多孔質膜を形成することができる。なお、分散液が隔壁の気孔の内部に入り込むと、隔壁における気孔径や気孔率の減少を招き、圧力損失が上昇する等の問題が生じるので、好ましくない。
乾燥は、この炭化ケイ素粒子分散液に含まれる水や有機溶媒を除去することができればよく、通常、大気雰囲気中、100℃ないし250℃程度の温度で行えばよい。
As a coating method of the silicon carbide particle dispersion liquid, a normal wet coat method for applying the dispersion liquid to the surface of the object to be processed, such as a bar coat method, a slip cast method, a wash coat method, a dip coat method, or the like can be used. .
At this time, by controlling the viscosity of the dispersion, the wettability with respect to the partition walls, the agglomeration state of the silicon carbide particles, and the like so that the dispersion liquid does not enter the pores of the partition walls, the surface of the partition walls is carbonized. An independent porous film made of silicon particles can be formed. In addition, if the dispersion liquid enters the pores of the partition walls, the pore diameter and porosity in the partition walls are decreased, and problems such as an increase in pressure loss occur.
Drying is sufficient if water or an organic solvent contained in the silicon carbide particle dispersion can be removed, and the drying is usually performed at a temperature of about 100 ° C. to 250 ° C. in an air atmosphere.
次いで、この塗膜が形成された多孔質体からなる隔壁を、窒素、アルゴン、ネオン、キセノン等の不活性雰囲気下、または水素、一酸化炭素等の還元性ガスを含む還元性雰囲気下にて、500℃以上かつ1500℃以下、好ましくは600℃以上かつ1100℃以下の温度にて熱処理する。
この熱処理により、塗膜中の分散媒、すなわち残留している水や有機溶媒、または乾燥した塗膜中の高分子モノマー、オリゴマー、分散剤、界面活性剤、防腐剤、安定化剤、消泡剤、レベリング剤等が散逸するとともに、炭化ケイ素粒子同士が部分的に焼結して、これら粒子同士が結合したネック部分が形成され、多孔質状に接合された多孔質膜が形成される。
Next, the partition wall made of the porous body on which the coating film is formed is subjected to an inert atmosphere such as nitrogen, argon, neon, or xenon, or a reducing atmosphere containing a reducing gas such as hydrogen or carbon monoxide. The heat treatment is performed at a temperature of 500 ° C. or higher and 1500 ° C. or lower, preferably 600 ° C. or higher and 1100 ° C. or lower.
By this heat treatment, the dispersion medium in the coating film, that is, the remaining water or organic solvent, or the polymer monomer, oligomer, dispersant, surfactant, preservative, stabilizer, antifoam in the dried coating film Agents, leveling agents and the like are dissipated, and silicon carbide particles are partially sintered to form a neck portion in which these particles are bonded to each other, thereby forming a porous film bonded in a porous shape.
なお、上記の乾燥工程は、熱処理工程の前処理工程とすることにより、この熱処理工程と一体化してもよい。
この熱処理工程は、酸化物層形成工程における熱処理条件を調整することにより、炭化ケイ素粒子の表面に酸化物層を生成させると共に炭化ケイ素粒子同士を部分的に焼結させることができれば、省略することができる。
In addition, you may integrate this drying process with this heat processing process by making it the pre-processing process of a heat processing process.
This heat treatment step is omitted if the oxide layer is formed on the surface of the silicon carbide particles and the silicon carbide particles can be partially sintered by adjusting the heat treatment conditions in the oxide layer forming step. Can do.
(貴金属粒子担持工程と多孔質膜形成工程を同時に行う場合)
上記の貴金属粒子担持工程と多孔質膜形成工程は、類似した作業内容を有するので、両工程を同時並行して行うことができる。
(When performing the precious metal particle supporting process and the porous film forming process simultaneously)
Since the above precious metal particle supporting step and the porous film forming step have similar work contents, both steps can be performed simultaneously.
まず、貴金属粒子担持工程における貴金属源となる貴金属の塩類を溶解した溶液、または貴金属化合物微粒子を分散させた分散液を作製する工程と、多孔質膜形成工程における分散媒を準備する工程と、が類似する。また、貴金属粒子担持工程における溶液または分散液中に炭化ケイ素粒子を浸漬・分散させる工程と、多孔質膜形成工程における炭化ケイ素粒子分散液を作製する工程と、が類似する。
そこで、多孔質膜形成工程における炭化ケイ素粒子分散媒中に、貴金属源を溶解ないしは分散させることにより、これらの各工程を併せて単一の工程とすることができる。
なお、この分散媒としては、貴金属源が容易に溶解ないしは分散する物質を選択する必要があり、特に水が好適である。一方、有機溶媒を用いる場合には、この有機溶媒に容易に分散する貴金属源を選択すればよい。
First, a step of preparing a solution in which a salt of a noble metal serving as a noble metal source in the noble metal particle supporting step is dissolved or a dispersion in which noble metal compound fine particles are dispersed, and a step of preparing a dispersion medium in the porous film forming step Similar. Further, the step of immersing and dispersing silicon carbide particles in the solution or dispersion in the noble metal particle supporting step is similar to the step of producing the silicon carbide particle dispersion in the porous film forming step.
Therefore, by dissolving or dispersing the noble metal source in the silicon carbide particle dispersion medium in the porous film forming step, these steps can be combined into a single step.
As this dispersion medium, it is necessary to select a substance in which the noble metal source can be easily dissolved or dispersed, and water is particularly preferable. On the other hand, when an organic solvent is used, a noble metal source that is easily dispersed in the organic solvent may be selected.
次に、多孔質膜形成工程には、炭化ケイ素粒子分散液をフィルタ基体を構成する多孔質体からなる隔壁の表面に塗布(コート)する工程があるが、貴金属粒子担持工程には、これに相当する工程がない。
次に、貴金属粒子担持工程の乾燥により分散媒である水や有機溶媒を除去する工程と、多孔質膜形成工程の炭化ケイ素粒子分散液を塗布した多孔質体からなる隔壁を乾燥する工程と、が類似する。
この両工程は乾燥工程であり、実質的に同一であるから、単一の工程とすることができる。乾燥温度は、両工程に共通する範囲、すなわち100℃ないし250℃程度の温度で行えばよい。
Next, in the porous film forming step, there is a step of coating (coating) the silicon carbide particle dispersion liquid on the surface of the partition wall made of a porous body constituting the filter base. In the noble metal particle supporting step, There is no corresponding process.
Next, a step of removing water or an organic solvent as a dispersion medium by drying in the noble metal particle supporting step, a step of drying the partition wall made of a porous body coated with the silicon carbide particle dispersion in the porous film forming step, Are similar.
Since these two steps are drying steps and are substantially the same, they can be a single step. The drying temperature may be a range common to both steps, that is, a temperature of about 100 ° C. to 250 ° C.
次に、貴金属粒子担持工程における還元雰囲気中または不活性雰囲気中にて熱処理することにより貴金属微粒子を形成する工程と、多孔質膜形成工程における乾燥塗布膜が形成された多孔質体からなる隔壁を還元雰囲気中または不活性雰囲気中にて熱処理して部分的に焼結し、多孔質膜を形成する工程と、が類似する。
この両工程は、還元雰囲気中または不活性雰囲気中にて熱処理するという点で実質的に同一であるから、単一の工程とすることができる。熱処理温度や時間は、両工程に共通する範囲内から、貴金属粒子の生成条件や多孔質膜の形成条件を考慮して選択すればよい。
Next, a step of forming noble metal fine particles by heat treatment in a reducing atmosphere or an inert atmosphere in the noble metal particle supporting step, and a partition made of a porous body on which a dry coating film in the porous film forming step is formed This is similar to the step of forming a porous film by heat-treating in a reducing atmosphere or in an inert atmosphere and partially sintering.
Both of these steps are substantially the same in that heat treatment is performed in a reducing atmosphere or an inert atmosphere, and thus can be a single step. The heat treatment temperature and time may be selected from the range common to both steps in consideration of the noble metal particle generation conditions and the porous film formation conditions.
以上の工程、すなわち分散媒中に貴金属源を溶解または分散させる工程、分散媒中に炭化ケイ素粒子を分散させる工程、得られた炭化ケイ素粒子分散液をフィルタ基体を構成する多孔質体からなる隔壁の表面に塗布する工程、得られた塗布膜を乾燥する工程、得られた乾燥塗布膜を熱処理する工程、を行うことにより、多孔質膜形成工程中に貴金属粒子担持工程を組み込み、貴金属粒子担持工程と多孔質膜形成工程とを一体化した同時並行の工程として行うことができる。 The above steps, that is, the step of dissolving or dispersing the noble metal source in the dispersion medium, the step of dispersing the silicon carbide particles in the dispersion medium, and the partition wall comprising the porous body constituting the filter substrate using the obtained silicon carbide particle dispersion liquid Noble metal particle supporting step is incorporated into the porous film forming step by performing the step of coating on the surface of the substrate, the step of drying the obtained coating film, and the step of heat treating the obtained dry coating film. The process and the porous film forming process can be performed as a simultaneous and parallel process.
「酸化物層形成工程」
貴金属粒子を担持させた炭化ケイ素粒子、または貴金属粒子担持炭化ケイ素粒子により形成された多孔質膜を、酸化処理して、貴金属粒子担持炭化ケイ素粒子の表面に酸化物層を形成する工程である。
"Oxide layer formation process"
This is a step of forming an oxide layer on the surface of the noble metal particle-supported silicon carbide particles by oxidizing the silicon carbide particles supporting the noble metal particles or the porous film formed of the noble metal particle-supported silicon carbide particles.
酸化処理としては、上記の貴金属担持炭化ケイ素粒子自体、または貴金属粒子担持炭化ケイ素粒子により形成された多孔質膜、すなわち貴金属担持炭化ケイ素粒子同士が部分的に焼結した層を有する多孔質体からなる隔壁を、大気または酸素等の酸化性雰囲気下、600℃以上かつ1000℃以下、好ましくは650℃以上かつ800℃以下の温度にて、0.5時間以上かつ36時間以下、好ましくは4時間以上かつ12時間以下、酸化処理し、炭化ケイ素粒子の表面に酸化物層を生成させる。 As the oxidation treatment, the above-mentioned noble metal-supported silicon carbide particles themselves or a porous film formed of noble metal particle-supported silicon carbide particles, that is, a porous body having a layer in which the noble metal-supported silicon carbide particles are partially sintered are used. The partition wall is formed at a temperature of 600 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower, preferably 650 ° C. or higher and 800 ° C. or lower, in an oxidizing atmosphere such as air or oxygen, for 0.5 hours or longer and 36 hours or shorter, preferably 4 hours. The oxidation treatment is performed for 12 hours or less to form an oxide layer on the surface of the silicon carbide particles.
これにより、炭化ケイ素粒子の表面に担持された貴金属粒子が酸化物層により覆われた状態となっている酸化触媒粒子、または炭化ケイ素粒子の表面に貴金属粒子が担持され、かつこの貴金属粒子が酸化物層により覆われた状態となっている炭化ケイ素粒子からなる多孔質膜、を形成することができる。
すなわち、酸化物層をこの条件で形成するとともに、貴金属粒子の平均一次粒径が50nm以下であれば、貴金属粒子が酸化物層から突出することなく完全に覆われた、高い触媒活性を有す触媒粒子を形成することができる。
As a result, the oxidation catalyst particles in which the noble metal particles supported on the surface of the silicon carbide particles are covered with the oxide layer, or the noble metal particles are supported on the surface of the silicon carbide particles, and the noble metal particles are oxidized. A porous film made of silicon carbide particles covered with a physical layer can be formed.
That is, the oxide layer is formed under these conditions, and if the average primary particle diameter of the noble metal particles is 50 nm or less, the noble metal particles are completely covered without protruding from the oxide layer and have high catalytic activity. Catalyst particles can be formed.
このようにして形成された多孔質膜は、貴金属粒子が高分散(大きな比表面積)で微細な粒子として存在しており、この貴金属粒子は微細粒子特有の触媒活性を発現することができる。
一般に、微細な貴金属粒子は表面の活性が高いので、通常であれば、より低温から粒成長が進行する。ところで、本実施形態における貴金属粒子は、微細な状態で炭化ケイ素粒子の表面に担持されるとともに、酸化物層により覆われた状態で担持されている。したがって、この酸化物層は貴金属粒子との結合が可能であり、特に、この酸化物層中には貴金属粒子との結合を形成し易い非晶質のSiOxCy(ただし、0<x≦3、0≦y≦3)が含まれているので、貴金属粒子のシンタリング(粒成長)を抑制することができる。
In the porous film formed in this manner, noble metal particles are present as fine particles with high dispersion (large specific surface area), and the noble metal particles can exhibit the catalytic activity peculiar to the fine particles.
In general, fine noble metal particles have a high surface activity, so that grain growth usually proceeds from a lower temperature. By the way, the noble metal particles in the present embodiment are supported on the surface of the silicon carbide particles in a fine state and are supported in a state covered with an oxide layer. Therefore, the oxide layer can be bonded to the noble metal particles, and in particular, amorphous SiO x C y (where 0 <x ≦ 3, 0 ≦ y ≦ 3), sintering of noble metal particles can be suppressed.
また、微細な貴金属粒子は、融点が低下することが知られているが、本実施形態における貴金属粒子は、酸化物層、特に、非晶質のSiOxCy(ただし、0<x≦3、0≦y≦3)との化学的な結合により、それ自体の融解を抑制することができる。
また、非晶質のSiOxCy(ただし、0<x≦3、0≦y≦3)を含む酸化物層の表面には酸素が解離・吸着するので、担持された貴金属粒子と非晶質のSiOxCy(ただし、0<x≦3、0≦y≦3)との界面での相互作用により、酸化触媒活性を高めることができる。この効果により、特に低温領域においても、高い触媒活性を発現・維持することができる。
In addition, although it is known that the melting point of fine noble metal particles is lowered, the noble metal particles in this embodiment are oxide layers, particularly amorphous SiO x C y (where 0 <x ≦ 3 , 0 ≦ y ≦ 3), the melting of itself can be suppressed.
Further, since oxygen is dissociated and adsorbed on the surface of the oxide layer containing amorphous SiO x C y (where 0 <x ≦ 3, 0 ≦ y ≦ 3), the supported noble metal particles and amorphous Oxidation catalytic activity can be enhanced by the interaction at the interface with the high quality SiO x C y (where 0 <x ≦ 3, 0 ≦ y ≦ 3). Due to this effect, high catalytic activity can be expressed and maintained even in a low temperature region.
さらに、炭化ケイ素粒子は高温においても安定であり、酸化物粒子と比較して粒成長が生じ難い。これにより、非晶質のSiOxCy(ただし、0<x≦3、0≦y≦3)の表面積は容易に維持され、酸素脱離量の低下が生じない。
その結果、本実施形態の排ガス浄化フィルタは、高温で長時間使用された後においても、その触媒活性を維持することが容易である。
以上により、本実施形態の排ガス浄化フィルタは、PMの燃焼に対して高い触媒効果を有するとともに、その燃焼触媒効果を長期間にわたって維持することが可能である。
Furthermore, silicon carbide particles are stable even at high temperatures, and grain growth is less likely to occur compared to oxide particles. Thereby, the surface area of amorphous SiO x C y (where 0 <x ≦ 3, 0 ≦ y ≦ 3) is easily maintained, and the oxygen desorption amount does not decrease.
As a result, the exhaust gas purification filter of the present embodiment can easily maintain its catalytic activity even after being used at a high temperature for a long time.
As described above, the exhaust gas purification filter of the present embodiment has a high catalytic effect for PM combustion and can maintain the combustion catalytic effect for a long period of time.
以上説明したように、本実施形態の排ガス浄化フィルタ1によれば、フィルタ基体2の表面の多孔質膜5に含まれる酸化触媒粒子11を、炭化ケイ素粒子12の表面に貴金属粒子13を担持し、この貴金属粒子13を酸化物層14により覆った状態で担持し、この炭化ケイ素粒子12の質量(Ms)に対する貴金属粒子13の質量(Mn)の比(Mn/Ms)を0.005以上かつ0.15以下の範囲としたので、この貴金属粒子13と酸化物層14との界面における相互作用により、PMの燃焼温度を低下させることができる。したがって、耐久性を向上させることができる。
As described above, according to the exhaust
しかも、非晶質のSiOxCy(ただし、0<x≦3、0≦y≦3)からなる酸化物層14は、1000℃以上の高温下においても安定であるから、低温領域から高温領域に亘って高い触媒活性を保ちつつ高い耐熱性を維持することができる。
以上により、エンジンに対して過剰な負荷を掛けることがなく、燃費を悪化させることもなく、良好な特性を有する排ガス浄化フィルタを提供することができる。
In addition, the
As described above, an exhaust gas purification filter having good characteristics can be provided without applying an excessive load to the engine and without deteriorating fuel consumption.
以下、実施例及び比較例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example demonstrate this invention concretely, this invention is not limited by these Examples.
[実施例1]
平均一次粒子径が0.035μmの炭化ケイ素粒子15gを、純水80gに界面活性剤としてポリアクリル酸アンモニウム及び消泡剤を溶解した分散媒に投入し、この状態で、分散媒体としてジルコニアボールを用いた分散処理を180分間行った。
[Example 1]
15 g of silicon carbide particles having an average primary particle size of 0.035 μm are put into a dispersion medium in which ammonium polyacrylate and an antifoaming agent are dissolved in 80 g of pure water as a surfactant. In this state, zirconia balls are used as the dispersion medium. The used dispersion treatment was performed for 180 minutes.
このようにして得られたスラリーに、炭化ケイ素粒子1gに対して白金が0.066gとなるようにジニトロジアンミン白金硝酸溶液を添加し、再度、分散媒体としてジルコニアボールを用いた分散処理を30分間行い、その後蒸発乾固して分散媒を除去した。その後、以下の第一段階〜第三段階の熱処理を順次行った。
第一段階;温度=650℃、保持時間=240分、雰囲気=N2
第二段階;温度=1000℃、保持時間=360分、雰囲気=Ar
第三段階;温度=700℃、保持時間=1800分、雰囲気=大気
以上により、実施例1の酸化触媒粒子を作製した。
To the slurry thus obtained, a dinitrodiammine platinum nitric acid solution is added so that platinum is 0.066 g with respect to 1 g of silicon carbide particles, and dispersion treatment using zirconia balls as a dispersion medium is again performed for 30 minutes. And then evaporated to dryness to remove the dispersion medium. Thereafter, the following first to third heat treatments were sequentially performed.
First stage; temperature = 650 ° C., holding time = 240 minutes, atmosphere = N 2
Second stage; temperature = 1000 ° C., holding time = 360 minutes, atmosphere = Ar
Third stage: Temperature = 700 ° C., holding time = 1800 minutes, atmosphere = atmosphere The oxidation catalyst particles of Example 1 were produced as described above.
[実施例2]
炭化ケイ素粒子1gに対して白金が0.100gとなるように、ジニトロジアンミン白金硝酸溶液を添加した以外は、実施例1と同様にして、実施例2の酸化触媒粒子を作製した。
[Example 2]
The oxidation catalyst particles of Example 2 were produced in the same manner as in Example 1 except that the dinitrodiammine platinum nitric acid solution was added so that platinum was 0.100 g with respect to 1 g of silicon carbide particles.
[実施例3]
炭化ケイ素粒子1gに対して白金が0.150gとなるように、ジニトロジアンミン白金硝酸溶液を添加した以外は、実施例1と同様にして、実施例3の酸化触媒粒子を作製した。
[Example 3]
The oxidation catalyst particles of Example 3 were produced in the same manner as in Example 1 except that the dinitrodiammine platinum nitric acid solution was added so that platinum was 0.150 g with respect to 1 g of silicon carbide particles.
[実施例4]
炭化ケイ素粒子1gに対して白金が0.050gとなるように、ジニトロジアンミン白金硝酸溶液を添加した以外は、実施例1と同様にして、実施例4の酸化触媒粒子を作製した。
[Example 4]
Oxidation catalyst particles of Example 4 were produced in the same manner as in Example 1 except that the dinitrodiammine platinum nitric acid solution was added so that platinum was 0.050 g with respect to 1 g of silicon carbide particles.
[実施例5]
炭化ケイ素粒子1gに対して白金が0.030gとなるように、ジニトロジアンミン白金硝酸溶液を添加した以外は、実施例1と同様にして、実施例5の酸化触媒粒子を作製した。
[Example 5]
Oxidation catalyst particles of Example 5 were produced in the same manner as in Example 1 except that a dinitrodiammine platinum nitric acid solution was added so that platinum was 0.030 g with respect to 1 g of silicon carbide particles.
[実施例6]
炭化ケイ素粒子1gに対して白金が0.010gとなるように、ジニトロジアンミン白金硝酸溶液を添加した以外は、実施例1と同様にして、実施例6の酸化触媒粒子を作製した。
[Example 6]
Oxidation catalyst particles of Example 6 were produced in the same manner as in Example 1 except that the dinitrodiammine platinum nitric acid solution was added so that platinum was 0.010 g with respect to 1 g of silicon carbide particles.
[実施例7]
平均一次粒子径が0.035μmの炭化ケイ素粒子の替わりに、平均一次粒子径が0.015μmの炭化ケイ素粒子を用い、さらに、炭化ケイ素粒子1gに対して白金が0.066gとなるようにジニトロジアンミン白金硝酸溶液を添加する替わりに、炭化ケイ素粒子1gに対して銀が0.066gとなるように硝酸銀溶液を添加した以外は、実施例1と同様にして、実施例7の酸化触媒粒子を作製した。
[Example 7]
Instead of silicon carbide particles having an average primary particle diameter of 0.035 μm, silicon carbide particles having an average primary particle diameter of 0.015 μm are used, and further, dinitro so that platinum is 0.066 g with respect to 1 g of silicon carbide particles. Instead of adding the diammine platinum nitric acid solution, the oxidation catalyst particles of Example 7 were prepared in the same manner as in Example 1 except that the silver nitrate solution was added so that the amount of silver was 0.066 g per 1 g of silicon carbide particles. Produced.
[実施例8]
平均一次粒子径が0.035μmの炭化ケイ素粒子の替わりに、平均一次粒子径が8μmの炭化ケイ素粒子を用い、炭化ケイ素粒子1gに対して白金が0.066gとなるようにジニトロジアンミン白金硝酸溶液を添加する替わりに、炭化ケイ素粒子1gに対してパラジウム(Pd)が0.066gとなるように硝酸パラジウム溶液を添加した以外は、実施例1と同様にして、実施例8の酸化触媒粒子を作製した。
[Example 8]
Instead of silicon carbide particles having an average primary particle size of 0.035 μm, silicon carbide particles having an average primary particle size of 8 μm are used, and dinitrodiammine platinum nitrate solution is used so that platinum is 0.066 g with respect to 1 g of silicon carbide particles. In the same manner as in Example 1 except that the palladium nitrate solution was added so that palladium (Pd) was 0.066 g per 1 g of silicon carbide particles, the oxidation catalyst particles of Example 8 were added. Produced.
[実施例9]
平均一次粒子径が0.8μmの炭化ケイ素粒子13.5g及び平均一次粒子径が0.03μmの炭化ケイ素粒子0.15gを、純水80gに界面活性剤としてポリアクリル酸アンモニウム及び消泡剤を溶解した分散媒に投入し、この状態で、分散媒体としてジルコニアボールを用いた分散処理を180分間行った。
このようにして得られたスラリーに、実施例1と同様の処理を施し、実施例9の酸化触媒粒子を作製した。
[Example 9]
13.5 g of silicon carbide particles having an average primary particle size of 0.8 μm and 0.15 g of silicon carbide particles having an average primary particle size of 0.03 μm, and 80 g of pure water containing ammonium polyacrylate and an antifoaming agent as a surfactant. In this state, a dispersion treatment using zirconia balls as a dispersion medium was performed for 180 minutes.
The slurry thus obtained was treated in the same manner as in Example 1 to produce oxidation catalyst particles of Example 9.
[実施例10]
平均一次粒子径が0.035μmの炭化ケイ素粒子の替わりに、平均一次粒子径が12μmの炭化ケイ素粒子を用いた以外は、実施例1と同様にして、実施例10の酸化触媒粒子を作製した。
[Example 10]
An oxidation catalyst particle of Example 10 was produced in the same manner as in Example 1 except that silicon carbide particles having an average primary particle diameter of 12 μm were used instead of silicon carbide particles having an average primary particle diameter of 0.035 μm. .
[実施例11]
第一段階〜第三段階の3段階の熱処理を順次行う替わりに、以下の第一段階の熱処理を行ったこと以外は、実施例1と同様にして、実施例11の酸化触媒粒子を作製した。
第一段階;温度=1500℃、保持時間=1800分、雰囲気=大気
[Example 11]
Instead of sequentially performing the first-stage to third-stage heat treatments, oxidation catalyst particles of Example 11 were produced in the same manner as in Example 1 except that the following first-stage heat treatment was performed. .
First stage: temperature = 1500 ° C., holding time = 1800 minutes, atmosphere = air
[比較例1]
炭化ケイ素粒子1gに対して白金が0.2gとなるように、ジニトロジアンミン白金硝酸溶液を添加した以外は、実施例1と同様にして、比較例1の酸化触媒粒子を作製した。
[Comparative Example 1]
Oxidation catalyst particles of Comparative Example 1 were prepared in the same manner as in Example 1 except that the dinitrodiammine platinum nitric acid solution was added so that platinum was 0.2 g per 1 g of silicon carbide particles.
[比較例2]
炭化ケイ素粒子1gに対して白金が0.001gとなるように、ジニトロジアンミン白金硝酸溶液を添加した以外は、実施例1と同様にして、比較例2の酸化触媒粒子を作製した。
[Comparative Example 2]
Oxidation catalyst particles of Comparative Example 2 were produced in the same manner as in Example 1 except that the dinitrodiammine platinum nitric acid solution was added so that platinum was 0.001 g with respect to 1 g of silicon carbide particles.
[比較例3]
ジニトロジアンミン白金硝酸溶液を添加せず、白金を担持しなかったこと以外は、実施例1と同様にして、比較例3の酸化触媒粒子を作製した。
[Comparative Example 3]
The oxidation catalyst particles of Comparative Example 3 were produced in the same manner as in Example 1 except that the dinitrodiammine platinum nitric acid solution was not added and platinum was not supported.
[評価]
実施例1〜11及び比較例1〜3それぞれの酸化触媒粒子について、酸化物層の組成、貴金属粒子の担持状態及び平均一次粒子径、カーボン燃焼試験の評価を行った。
また、比較例4の評価用試料については、カーボン燃焼試験の評価を行った。
[Evaluation]
For each of the oxidation catalyst particles of Examples 1 to 11 and Comparative Examples 1 to 3, the composition of the oxide layer, the supported state of the noble metal particles, the average primary particle diameter, and the carbon combustion test were evaluated.
Further, the carbon combustion test was evaluated for the evaluation sample of Comparative Example 4.
これらの評価方法は以下のとおりである。
(1)酸化物層の組成
X線光電子分析装置(XPS/ESCA)Sigma Probe(VG−Scientific社製)を用いて、酸化触媒粒子中の炭化ケイ素(SiC)粒子の表面の組成分析を行なった。
(2)貴金属粒子の担持状態及び平均一次粒子径
電界放出型透過電子顕微鏡(FE−TEM)JEM−2100F(日本電子社製)により観察することにより、貴金属粒子の担持状態を評価した。
また、貴金属粒子の平均一次粒子径は、同様にして得られた電界放出型透過電子顕微鏡(FE−TEM)像中から無作為に選択した500個の貴金属粒子の一次粒子径を測定し、その平均値を貴金属粒子の平均一次粒子径とした。
These evaluation methods are as follows.
(1) Composition of oxide layer The composition analysis of the surface of the silicon carbide (SiC) particles in the oxidation catalyst particles was performed using an X-ray photoelectron analyzer (XPS / ESCA) Sigma Probe (manufactured by VG-Scientific). .
(2) Supported state of noble metal particles and average primary particle diameter The observed state of noble metal particles was evaluated by observation with a field emission transmission electron microscope (FE-TEM) JEM-2100F (manufactured by JEOL Ltd.).
In addition, the average primary particle diameter of the noble metal particles was determined by measuring the primary particle diameters of 500 noble metal particles randomly selected from the field emission transmission electron microscope (FE-TEM) images obtained in the same manner. The average value was defined as the average primary particle diameter of the noble metal particles.
(3)カーボン燃焼試験
カーボンブラックの酸化試験を行い、酸化触媒粒子の燃焼特性を評価した。このカーボンブラックの酸化試験による燃焼特性評価は、次のようにして行った。
まず、酸化触媒粒子とカーボンブラック(商品名:Acetylene carbonblack)とを、粒子:カーボンブラック=5:1(質量比)の比率で混ぜ合わせ、その後、乳鉢で十分に混合し、評価用試料とした。次いで、昇温脱離スペクトル装置(TPD装置)を用いて、試料を大気中にて10℃/毎分の昇温速度にて昇温させ、発生するCO及びCO2のそれぞれの濃度を四重極質量分析(Q−MASS)にて測定した。
このCO及びCO2の発生濃度が最大となる温度(ピーク温度)を測定してカーボン燃焼温度とし、このカーボン燃焼温度により、酸化触媒粒子または評価用試料の燃焼特性を評価した。
実施例1〜11及び比較例1〜4それぞれの評価結果を表1に示す。
(3) Carbon combustion test An oxidation test of carbon black was performed to evaluate the combustion characteristics of the oxidation catalyst particles. The combustion characteristic evaluation by the oxidation test of this carbon black was performed as follows.
First, oxidation catalyst particles and carbon black (trade name: Acetylene carbonblack) were mixed at a ratio of particles: carbon black = 5: 1 (mass ratio), and then mixed thoroughly in a mortar to obtain a sample for evaluation. . Next, using a temperature programmed desorption spectrum apparatus (TPD apparatus), the sample is heated in the atmosphere at a temperature rising rate of 10 ° C./min, and the concentration of each of the generated CO and CO 2 is quadruplicated. Measured by polar mass spectrometry (Q-MASS).
The temperature (peak temperature) at which the generated concentrations of CO and CO 2 were maximized was measured to obtain the carbon combustion temperature, and the combustion characteristics of the oxidation catalyst particles or the evaluation sample were evaluated based on the carbon combustion temperature.
Table 1 shows the evaluation results of Examples 1 to 11 and Comparative Examples 1 to 4.
表1によれば、実施例1〜9の酸化触媒粒子では、炭化ケイ素粒子の表面にナノメートルサイズの貴金属粒子が担持され、この炭化ケイ素粒子の表面に酸化物層が形成されるとともに、この酸化物層が貴金属粒子を覆っていた。
また、実施例1〜5及び7〜9の酸化触媒粒子では、比較例5の評価用試料と比較して、カーボン燃焼温度が100℃以上低く、また、実施例6の酸化触媒粒子も、比較例5の評価用試料と比較してカーボン燃焼温度が90℃近く低く、したがって、PM燃焼に対する十分な触媒効果を得ることが確認できた。
According to Table 1, in the oxidation catalyst particles of Examples 1 to 9, nanometer-sized noble metal particles are supported on the surface of the silicon carbide particles, and an oxide layer is formed on the surface of the silicon carbide particles. The oxide layer covered the noble metal particles.
Moreover, in the oxidation catalyst particles of Examples 1 to 5 and 7 to 9, the carbon combustion temperature is lower by 100 ° C. or more than the sample for evaluation of Comparative Example 5, and the oxidation catalyst particles of Example 6 are also compared. Compared with the sample for evaluation of Example 5, the carbon combustion temperature was nearly 90 ° C., and thus it was confirmed that a sufficient catalytic effect for PM combustion was obtained.
次に、実施例10、11の酸化触媒粒子では、炭化ケイ素粒子の表面に60nm程度の貴金属粒子が担持され、この炭化ケイ素粒子の表面に酸化物層が形成されるとともに、この酸化物層が貴金属粒子の少なくとも一部を覆っていた。
また、実施例10、11の酸化触媒粒子では、比較例5の評価用試料と比較して、カーボン燃焼温度が90℃程度低く、したがって、PM燃焼に対する触媒効果を有するが、その効果は実施例1〜5及び7〜9に比べて低いことが確認できた。
Next, in the oxidation catalyst particles of Examples 10 and 11, noble metal particles of about 60 nm are supported on the surface of the silicon carbide particles, and an oxide layer is formed on the surface of the silicon carbide particles. It covered at least some of the noble metal particles.
In addition, in the oxidation catalyst particles of Examples 10 and 11, the carbon combustion temperature is about 90 ° C. lower than that of the evaluation sample of Comparative Example 5, and thus has a catalytic effect on PM combustion. It has confirmed that it was low compared with 1-5 and 7-9.
このように、実施例10、11の酸化触媒粒子の触媒効果が実施例1〜5及び7〜9と比べて低いのは、貴金属添加量は6.6%((Mn/Ms)が0.066)と十分であるものの、貴金属粒子の粒子径が大きく、貴金属粒子の少なくとも一部は炭化ケイ素粒子表面の酸化膜に覆われていないために、十分な触媒活性が発現しないためと考えられる。その理由として、実施例10では、炭化ケイ素粒子の平均一次粒子径が12μmと大きいために、炭化ケイ素粒子の比表面積が低く、貴金属粒子同士のシンタリング(粒成長)が進行したことによるものであり、また実施例11では、熱処理温度が高く、保持時間も長い上、大気雰囲気で処理しているために、やはり貴金属粒子同士のシンタリング(粒成長)が進行したことによると考えられる。 Thus, the catalytic effect of the oxidation catalyst particles of Examples 10 and 11 is lower than that of Examples 1 to 5 and 7 to 9. The amount of noble metal added is 6.6% ((Mn / Ms) is 0.00. 066) is sufficient, but the particle diameter of the noble metal particles is large, and at least a part of the noble metal particles is not covered with the oxide film on the surface of the silicon carbide particles, so that it is considered that sufficient catalytic activity is not exhibited. The reason is that in Example 10, the average primary particle diameter of the silicon carbide particles is as large as 12 μm, so that the specific surface area of the silicon carbide particles is low and the sintering (grain growth) between the noble metal particles proceeds. In addition, in Example 11, since the heat treatment temperature is high, the holding time is long, and the treatment is performed in the air atmosphere, it is considered that the sintering (grain growth) of the noble metal particles also proceeds.
一方、比較例2の酸化触媒粒子では貴金属粒子量が少なすぎること、また比較例3の酸化触媒粒子では貴金属粒子量が全く存在しないことから、カーボン燃焼温度が750℃以上と高く、したがって、PM燃焼に対する触媒効果は低いことが確認できた。なお、貴金属微粒子が存在しない比較例3においても、比較例5の評価用試料と比較してカーボン燃焼温度が低下しているが、これは炭化ケイ素粒子表面の酸化物層による触媒効果と考えられる。
また、比較例1の酸化触媒粒子は、貴金属添加量が20質量%の例であって、カーボン燃焼温度は708℃と十分に低いものの、その値は貴金属添加量が15%の実施例3とほぼ同一であった。これは、貴金属量が飽和に達しているために、実施例3に比べて触媒特性の改善が図れないためと考えられる。
On the other hand, the oxidation catalyst particle of Comparative Example 2 has too little noble metal particle amount, and the oxidation catalyst particle of Comparative Example 3 has no noble metal particle amount, so the carbon combustion temperature is as high as 750 ° C. or higher. It was confirmed that the catalytic effect on combustion was low. In Comparative Example 3 where no precious metal fine particles are present, the carbon combustion temperature is lower than that in the evaluation sample of Comparative Example 5, which is considered to be a catalytic effect of the oxide layer on the surface of the silicon carbide particles. .
The oxidation catalyst particle of Comparative Example 1 is an example in which the noble metal addition amount is 20% by mass, and the carbon combustion temperature is sufficiently low as 708 ° C., but the value is the same as in Example 3 in which the noble metal addition amount is 15%. It was almost the same. This is presumably because the catalytic properties cannot be improved compared to Example 3 because the amount of precious metal has reached saturation.
次に、これら実施例1〜11及び比較例1〜4の排ガス浄化触媒の内、炭化ケイ素粒子の平均一次粒子径が0.035μmであって、貴金属粒子として白金を用いた実施例1〜6及び比較例1〜3それぞれの排ガス浄化触媒における、炭化ケイ素粒子の質量(Ms)に対する貴金属粒子の質量(Mn)の比(Ms/Mn)と、CO浄化温度およびHC浄化温度との関係を図4に示す。 Next, among these exhaust gas purification catalysts of Examples 1 to 11 and Comparative Examples 1 to 4, Examples 1 to 6 in which the average primary particle diameter of silicon carbide particles is 0.035 μm and platinum is used as noble metal particles. FIG. 5 shows the relationship between the ratio (Ms / Mn) of the mass (Mn) of the noble metal particles to the mass (Ms) of the silicon carbide particles and the CO purification temperature and the HC purification temperature in each exhaust gas purification catalyst of Comparative Examples 1 to 3. 4 shows.
図4によれば、貴金属粒子が存在することにより、炭化ケイ素粒子単独の場合に比べてカーボン燃焼温度は低下していくことが示されており、(Ms/Mn)が0.005程度、すなわち貴金属粒子の添加量が炭化ケイ素粒子に対して0.5質量%程度存在すれば、貴金属粒子が存在する効果が現れていることが分かった。一方、貴金属粒子の添加量が増加するにつれて、カーボン燃焼温度の低下率は減少し、(Ms/Mn)が0.15以上、すなわち貴金属粒子の添加量が炭化ケイ素粒子に対して15質量%以上存在しても、カーボン燃焼温度はほとんど低下せず、貴金属量が飽和に達していることが分かった。 FIG. 4 shows that the presence of the noble metal particles reduces the carbon combustion temperature as compared to the case of the silicon carbide particles alone, and (Ms / Mn) is about 0.005, It was found that the effect of the presence of the noble metal particles appeared when the addition amount of the noble metal particles was about 0.5% by mass relative to the silicon carbide particles. On the other hand, as the addition amount of the noble metal particles increases, the rate of decrease in the carbon combustion temperature decreases, and (Ms / Mn) is 0.15 or more, that is, the addition amount of the noble metal particles is 15 mass% or more with respect to the silicon carbide particles. Even when present, the carbon combustion temperature hardly decreased, and the amount of noble metal reached saturation.
[実施例12]
実施例1の酸化触媒粒子が10.0体積%、水が87.5体積%、ゲル化剤として用いるゼラチンが2.5体積%となるように、それぞれを秤量した。次いで、上記の酸化触媒粒子と水とを、鉄芯入り樹脂ボールを用いたボールミルにて220rpmの回転速度にて12時間混合して分散液とした後、得られた分散液に上記のゼラチンを添加して20分間混合し、実施例12の酸化触媒粒子分散液(塗布液)を得た。
[Example 12]
Each of the oxidation catalyst particles of Example 1 was weighed so that 10.0% by volume, 87.5% by volume of water, and 2.5% by volume of gelatin used as a gelling agent were included. Next, the above oxidation catalyst particles and water were mixed for 12 hours at a rotational speed of 220 rpm in a ball mill using iron-cored resin balls to form a dispersion, and then the gelatin was added to the obtained dispersion. The mixture was added and mixed for 20 minutes to obtain an oxidation catalyst particle dispersion (coating solution) of Example 12.
次いで、この酸化触媒粒子分散液に炭化ケイ素製ハニカム構造の基材を浸漬したのち引き上げ、100℃にて12時間乾燥させ、このハニカム基材上に酸化触媒粒子からなる塗膜を形成した。
次いで、この塗膜が形成されたハニカム基材を、以下の条件で熱処理を行った。
第四段階:温度=1000℃、保持時間=60分、 雰囲気=アルゴン
この熱処理により、ハニカム基材上に実施例1の酸化触媒粒子からなる多孔質膜が形成された、実施例12のフィルタ基体を作製した。
Next, the silicon carbide honeycomb structure base material was dipped in the oxidation catalyst particle dispersion and then pulled up and dried at 100 ° C. for 12 hours to form a coating film made of oxidation catalyst particles on the honeycomb base material.
Next, the honeycomb substrate on which the coating film was formed was heat-treated under the following conditions.
Fourth stage: temperature = 1000 ° C., holding time = 60 minutes, atmosphere = argon The filter substrate of Example 12 in which the porous film composed of the oxidation catalyst particles of Example 1 was formed on the honeycomb substrate by this heat treatment. Was made.
[実施例13]
酸化触媒粒子として実施例9の酸化触媒粒子を用いたこと以外は、実施例12と同様にして、実施例13のフィルタ基体を作製した。
た。
[Example 13]
A filter substrate of Example 13 was produced in the same manner as Example 12 except that the oxidation catalyst particles of Example 9 were used as the oxidation catalyst particles.
It was.
[評価]
実施例12及び13のフィルタ基体について、多孔質膜を形成する炭化ケイ素粒子表面の酸化物層の組成、貴金属粒子の担持状態及び平均一次粒子径、多孔質膜の気孔径及び平均気孔率の評価を行った。
[Evaluation]
For the filter substrates of Examples 12 and 13, evaluation of the composition of the oxide layer on the surface of the silicon carbide particles forming the porous film, the supported state and average primary particle diameter of the noble metal particles, the pore diameter and the average porosity of the porous film Went.
これらの評価方法は以下のとおりである。
(1)酸化物層の組成
フィルタ基体における多孔質膜をハニカム基材毎切り出し、X線光電子分析装置(XPS/ESCA)Sigma Probe(VG−Scientific社製)を用いて、酸化触媒粒子中の炭化ケイ素(SiC)粒子の表面の組成分析を行なった。
(2)貴金属粒子の担持状態及び平均一次粒子径
フィルタ基体における多孔質膜をハニカム基材毎切り出し、電界放出型透過電子顕微鏡(FE−TEM)JEM−2100F(日本電子社製)により観察することにより、貴金属粒子の担持状態を評価した。
また、貴金属粒子の平均一次粒子径は、同様にして得られた電界放出型透過電子顕微鏡(FE−TEM)像中から無作為に選択した100個の貴金属粒子の一次粒子径を測定し、その平均値を貴金属粒子の平均一次粒子径とした。
These evaluation methods are as follows.
(1) Composition of oxide layer The porous film in the filter substrate is cut out for each honeycomb substrate, and carbonized in the oxidation catalyst particles using an X-ray photoelectron analyzer (XPS / ESCA) Sigma Probe (manufactured by VG-Scientific). The composition of the surface of silicon (SiC) particles was analyzed.
(2) Precious metal particle support state and average primary particle diameter A porous membrane in a filter substrate is cut out for each honeycomb substrate and observed with a field emission transmission electron microscope (FE-TEM) JEM-2100F (manufactured by JEOL Ltd.). Thus, the supported state of the noble metal particles was evaluated.
In addition, the average primary particle diameter of the noble metal particles was measured by measuring the primary particle diameter of 100 noble metal particles randomly selected from the field emission transmission electron microscope (FE-TEM) image obtained in the same manner. The average value was defined as the average primary particle diameter of the noble metal particles.
(3)多孔質膜の気孔径および平均気孔率
水銀ポロシメータ装置 Pore Master 60GT(Quantachrome社製)を用いて、フィルタ基体における多孔質膜部分の気孔径分布を測定し、水銀進入容積の50%累積を多孔質膜の平均気孔径とした。また、同装置を用いて多孔質膜の平均気孔率を測定した。
実施例12及び13それぞれの評価結果を表2に示す。
(3) Pore size and average porosity of porous membrane Using a mercury porosimeter device, Pore Master 60GT (manufactured by Quantachrome), the pore size distribution of the porous membrane portion in the filter substrate was measured, and 50% cumulative mercury intrusion volume was accumulated. Was the average pore size of the porous membrane. Moreover, the average porosity of the porous membrane was measured using the same apparatus.
The evaluation results of Examples 12 and 13 are shown in Table 2.
表2によれば、実施例12及び13のフィルタ基体は、ハニカム基材上に炭化ケイ素粒子からなる多孔質膜が形成されており、この炭化ケイ素粒子の表面にはナノメートルサイズの貴金属粒子が担持され、炭化ケイ素粒子の表面に酸化物層が形成されるとともに、この酸化物層が貴金属粒子を覆っていた。
また、実施例12及び13の多孔質膜は、排ガス浄化フィルタを形成する多孔質膜に適した気孔径と気孔率を有することが確認された。
なお、実施例12及び13では、カーボンブラックの酸化試験による酸化触媒粒子の燃焼特性評価は行っていないが、多孔質膜の原料とした実施例1及び9の酸化触媒粒子が良好なカーボン燃焼特性を示していたこと、多孔質膜を形成している炭化ケイ素粒子の状態が、原料の酸化触媒粒子に対してほとんど変化していないことから、やはり良好なカーボン燃焼特性を示すと考えられる。
According to Table 2, in the filter substrates of Examples 12 and 13, a porous film made of silicon carbide particles is formed on a honeycomb substrate, and nanometer-sized noble metal particles are formed on the surface of the silicon carbide particles. The oxide layer was supported on the surface of the silicon carbide particles, and the oxide layer covered the noble metal particles.
Moreover, it was confirmed that the porous membranes of Examples 12 and 13 have a pore diameter and a porosity suitable for the porous membrane forming the exhaust gas purification filter.
In Examples 12 and 13, the combustion characteristics of the oxidation catalyst particles were not evaluated by the carbon black oxidation test. However, the oxidation catalyst particles of Examples 1 and 9 used as the raw material for the porous film had good carbon combustion characteristics. And the state of the silicon carbide particles forming the porous film is hardly changed relative to the raw material oxidation catalyst particles.
1 DPF
2 フィルタ基体
3 隔壁
4 ガス流路
4A 流入セル(流入側ガス流路)
4B 流出セル(流出側ガス流路)
4a 内壁面
5 多孔質膜
11 酸化触媒粒子
12 炭化ケイ素粒子
13 貴金属粒子
14 非晶質の酸化物層
20 粒子状物質(PM)
α、γ 端面
G 排ガス
C 浄化ガス
1 DPF
2
4B Outflow cell (outflow side gas flow path)
4a
α, γ End face G Exhaust gas C Purified gas
Claims (5)
前記フィルタ基体は、多孔質体からなる隔壁と、該隔壁により形成されるとともに粒子状物質を含む排ガスの流入側端部が開放された流入側ガス流路と、前記フィルタ基体の前記流入側ガス流路と異なる位置に設けられ、前記隔壁により形成されるとともに排ガスの流出側端部が開放された流出側ガス流路と、を備え、
前記隔壁の少なくとも前記流入側ガス流路側の表面に、酸化触媒粒子を含有しかつ前記隔壁より小さな気孔径を有する多孔質膜が形成され、
前記酸化触媒粒子は、炭化ケイ素粒子の表面に貴金属粒子が担持され、該貴金属粒子は酸化物層により覆われた状態で担持され、
前記炭化ケイ素粒子の質量(Ms)に対する前記貴金属粒子の質量(Mn)の比(Mn/Ms)は0.005以上かつ0.15以下の範囲であることを特徴とする排ガス浄化フィルタ。 An exhaust gas purification filter that purifies the exhaust gas by collecting particulate matter contained in the exhaust gas by passing through a filter base made of a porous body,
The filter base includes a partition wall made of a porous body, an inflow side gas passage formed by the partition and having an inflow side end portion of an exhaust gas containing particulate matter, and the inflow side gas of the filter base. An outflow side gas flow path provided at a position different from the flow path, formed by the partition wall and having an outflow side end of the exhaust gas opened,
A porous film containing oxidation catalyst particles and having a pore diameter smaller than that of the partition wall is formed on at least the surface of the partition wall on the inflow side gas flow path side,
The oxidation catalyst particles have noble metal particles supported on the surface of the silicon carbide particles, and the noble metal particles are supported in a state of being covered with an oxide layer,
A ratio (Mn / Ms) of a mass (Mn) of the noble metal particles to a mass (Ms) of the silicon carbide particles is in a range of 0.005 or more and 0.15 or less.
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- 2013-06-28 JP JP2013137506A patent/JP2015009212A/en active Pending
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