JP2025027415A - Oxygen absorbing and releasing materials and exhaust gas purification catalysts - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は酸素吸放出材及び該酸素吸放出材を用いた排ガス浄化用触媒に関する。 The present invention relates to an oxygen absorbing/releasing material and an exhaust gas purification catalyst that uses the oxygen absorbing/releasing material.
世界規模でのモータリゼーションの進展から、自動車の販売台数は増加傾向にあり、地球環境保全の観点から、自動車用排ガス浄化用触媒には、高性能化が求められている。ガソリンエンジン用の触媒として主流となっている三元触媒は、空燃比センサーと電子式燃料噴射装置から成るフィードバック制御システムにより、窒素酸化物(NOx)等の酸化剤と一酸化炭素(CO)、未燃炭化水素(HCs)等の還元剤が化学当量分生成する空燃比でこれらを過不足なく浄化するが、運転状況に応じて排ガス組成が激しく変動する環境下では、その浄化能力を十分発揮できない。 With the progress of motorization on a global scale, the number of automobiles sold is on the rise, and from the viewpoint of global environmental conservation, high performance is required for catalysts for purifying exhaust gas from automobiles. Three-way catalysts, which are the mainstream catalysts for gasoline engines, purify these substances just enough at an air-fuel ratio that generates chemically equivalent amounts of oxidizing agents such as nitrogen oxides ( NOx ) and reducing agents such as carbon monoxide (CO) and unburned hydrocarbons (HCs), using a feedback control system consisting of an air-fuel ratio sensor and an electronic fuel injection device. However, in an environment where the exhaust gas composition fluctuates drastically depending on the driving conditions, the purification ability cannot be fully demonstrated.
三元触媒に含まれる酸素吸放出材は、このような空燃比変動時に、固体内陽イオンのレドックス反応によって酸素を吸脱離し、酸化剤と還元剤を触媒が機能できる化学量論比に調整する。このような酸素吸放出能(酸素吸蔵能又は酸素貯蔵能ともいう)を有する材料としては、従来からセリア(CeO2)が用いられており、近年では、セリアを含有する様々な種類の複合酸化物が研究され、特にセリア-ジルコニア(CeO2-ZrO2)系複合酸化物が広く用いられている。しかし、セリア-ジルコニア系複合酸化物の酸素吸放出量は理論限界に近付いている状況にある。 The oxygen absorbing/releasing material contained in the three-way catalyst absorbs and releases oxygen through a redox reaction of cations in the solid when the air-fuel ratio fluctuates, and adjusts the oxidizing agent and reducing agent to a stoichiometric ratio at which the catalyst can function. Ceria (CeO 2 ) has traditionally been used as a material having such oxygen absorbing/releasing capacity (also called oxygen storage capacity or oxygen storage capacity), and in recent years, various types of composite oxides containing ceria have been researched, with ceria-zirconia (CeO 2 -ZrO 2 )-based composite oxides being particularly widely used. However, the amount of oxygen absorbed and released by ceria-zirconia-based composite oxides is approaching its theoretical limit.
セリア-ジルコニア系複合酸化物中のセリウムイオンの限界を超えられる陽イオン種としては、セリウムイオンに比べて原子量が小さな第一遷移金属イオンが挙げられ、種々の遷移金属系複合酸化物が開発されている。例えば、特許文献1には、酸化第二鉄(Fe2O3)、ジルコニア(ZrO2)及び希土類元素酸化物を含有する複合酸化物からなる酸素貯蔵材料が開示されているが、これらの鉄系酸素吸放出材の酸素吸放出能は必ずしも十分なものではなかった。 As a cationic species that can exceed the limit of the cerium ion in the ceria-zirconia composite oxide, there are first transition metal ions with smaller atomic weights than the cerium ion, and various transition metal composite oxides have been developed. For example, Patent Document 1 discloses an oxygen storage material made of a composite oxide containing ferric oxide (Fe 2 O 3 ), zirconia (ZrO 2 ), and a rare earth element oxide, but the oxygen absorption and release capacity of these iron-based oxygen absorbing and releasing materials is not necessarily sufficient.
セリア-ジルコニア系複合酸化物からなる酸素吸放出材と、鉄系酸素吸放出材におけるこの性能差は、鉄イオンとセリウムイオンの化学的性質の違いによると考えられる。具体的には、酸化第二鉄等に含まれる3価の鉄イオンの25℃水溶液中一電子反応(Fe3++e-=Fe2+)における標準電極電位は0.771Vであり、セリウムイオン(Ce4+)の同電位1.71Vと比べて低いことから、化学的に還元され難い性質を示す。また、酸化第一鉄等に含まれる2価の鉄イオンから0価金属となる反応(Fe2++2e-=Fe0)における同電位は-0.44Vであるのに対し、三価のセリウムイオン(Ce3+)から0価金属となる反応(Ce3++3e-=Ce0)における同電位は-2.34Vであることから、Fe2+はCe3+に比べて容易に還元される化学的性質を有すると考えられる。このような化学的性質の違いにより、酸素吸放出能において、酸化第二鉄は酸化セリウムに比べて一般的に作動温度が高く、還元雰囲気において0価金属への還元による酸化物構造の崩壊を生じ、これらの改善が鉄系酸素吸放出材を検討する上での大きな課題の一つであった。 This difference in performance between the oxygen absorbing/releasing material made of ceria-zirconia composite oxide and the iron-based oxygen absorbing/releasing material is believed to be due to the difference in the chemical properties of iron ions and cerium ions. Specifically, the standard electrode potential of the trivalent iron ions contained in ferric oxide and the like in a one-electron reaction (Fe3 + + e- = Fe2 + ) in an aqueous solution at 25°C is 0.771 V, which is lower than the equivalent potential of cerium ions (Ce4 + ), which is 1.71 V, and therefore shows a property of being difficult to chemically reduce. Furthermore, the equipotential in the reaction in which divalent iron ions contained in ferrous oxide etc. become zero-valent metal (Fe 2+ +2e - =Fe 0 ) is -0.44 V, whereas the equipotential in the reaction in which trivalent cerium ions (Ce 3+ ) become zero-valent metal (Ce 3+ +3e - =Ce 0 ) is -2.34 V, suggests that Fe 2+ has chemical properties that make it more easily reduced than Ce 3+ . Due to these differences in chemical properties, ferric oxide generally has a higher operating temperature than cerium oxide in terms of oxygen absorption/release capacity, and in a reducing atmosphere, the oxide structure collapses due to reduction to zero-valent metal, and improving these properties was one of the major challenges in investigating iron-based oxygen absorption/release materials.
この課題を鑑み、高温還元雰囲気において構造崩壊を伴わないレドックス反応(トポタクティック転移)可能な鉄系複合酸化物が開発されている。例えば、非特許文献1には、優れた酸素吸放出能と高い還元耐性を発揮するストロンチウム-鉄系複合酸化物Sr3Fe2O7-δが開示されている。しかし、Sr3Fe2O7-δは、酸素吸放出能において作動温度が高く、また、酸素吸放出能についてさらなる改善の余地があった。 In view of this problem, iron-based composite oxides capable of redox reactions (topotactic transition) without structural collapse in a high-temperature reducing atmosphere have been developed. For example, Non-Patent Document 1 discloses a strontium-iron-based composite oxide Sr 3 Fe 2 O 7-δ that exhibits excellent oxygen absorption/release capacity and high reduction resistance. However, Sr 3 Fe 2 O 7-δ has a high operating temperature for oxygen absorption/release capacity, and there is room for further improvement in the oxygen absorption/release capacity.
前記の通り、従来の鉄系酸素吸放出材においては、低温作動性及び酸素吸放出能についてさらなる改善が求められることがあった。それ故、本発明は、低温作動性及び酸素吸放出能が改善した酸素吸放出材を提供することを目的とする。 As mentioned above, conventional iron-based oxygen absorbing/releasing materials have required further improvements in low-temperature operability and oxygen absorbing/releasing capacity. Therefore, the present invention aims to provide an oxygen absorbing/releasing material with improved low-temperature operability and oxygen absorbing/releasing capacity.
本発明者らは、所定の組成を有する、ルドルスデン・ポッパータイプの層状ペロブスカイト型複合酸化物が優れた低温作動性及び高い酸素吸放出能を有することを見出し、本発明を完成した。 The inventors discovered that a Rudolfsden-Popper type layered perovskite complex oxide having a specific composition has excellent low-temperature operation and high oxygen absorption/release capacity, and thus completed the present invention.
すなわち、本発明の要旨は以下の通りである。
(1)下記式(0)によって表される、ルドルスデン・ポッパータイプの層状ペロブスカイト型複合酸化物を含有する、酸素吸放出材。
RE(Fe1-aMa)3Sr3O10-δ (0)
(式中、REは、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd及びLaよりなる群から選択される1種以上であり、Mは、Mn、Ni及びCoよりなる群から選択される1種以上であり、aは0以上1未満の実数であり、δは0以上1未満の実数である。)
(2)下記式(1)によって表される、ルドルスデン・ポッパータイプの層状ペロブスカイト型複合酸化物を含有する、酸素吸放出材。
La(Fe1-aMa)3Sr3O10-δ (1)
(式中、Mは、Mn、Ni及びCoよりなる群から選択される1種以上であり、aは0以上1未満の実数であり、δは0以上1未満の実数である。)
(3)前記式(0)及び(1)において、aが0である、前記(1)又は(2)に記載の酸素吸放出材。
(4)前記式(0)及び(1)において、aが0超1未満の実数である、前記(1)又は(2)に記載の酸素吸放出材。
(5)前記式(0)及び(1)において、aが0.1以上0.3以下の実数である、前記(1)、(2)又は(4)に記載の酸素吸放出材。
(6)前記式(0)において、REが、Pr、Nd、Eu及びGdよりなる群から選択される1種以上である、前記(1)、(3)~(5)のいずれかに記載の酸素吸放出材。
(7)前記(1)~(6)のいずれかに記載の酸素吸放出材と、前記酸素吸放出材に担持された貴金属とを含む、排ガス浄化用触媒。
That is, the gist of the present invention is as follows.
(1) An oxygen absorbing/releasing material containing a Rudolfsden-Popper type layered perovskite complex oxide represented by the following formula (0):
RE(Fe 1-a M a ) 3 Sr 3 O 10-δ (0)
(In the formula, RE is one or more selected from the group consisting of Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, and La, M is one or more selected from the group consisting of Mn, Ni, and Co, a is a real number equal to or greater than 0 and less than 1, and δ is a real number equal to or greater than 0 and less than 1.)
(2) An oxygen absorbing/releasing material containing a Rudolf Denn-Popper type layered perovskite complex oxide represented by the following formula (1):
La(Fe 1-a M a ) 3 Sr 3 O 10-δ (1)
(In the formula, M is one or more selected from the group consisting of Mn, Ni, and Co, a is a real number equal to or greater than 0 and less than 1, and δ is a real number equal to or greater than 0 and less than 1.)
(3) The oxygen storage/release material according to (1) or (2) above, wherein in the formulas (0) and (1), a is 0.
(4) The oxygen storage/release material according to (1) or (2) above, wherein in the formulas (0) and (1), a is a real number greater than 0 and less than 1.
(5) The oxygen storage/release material according to (1), (2) or (4) above, wherein in the formulas (0) and (1), a is a real number of 0.1 or more and 0.3 or less.
(6) The oxygen storage/release material according to any one of (1), (3) to (5), wherein in the formula (0), RE is one or more selected from the group consisting of Pr, Nd, Eu and Gd.
(7) An exhaust gas purifying catalyst comprising the oxygen absorbing material according to any one of (1) to (6) above and a precious metal supported on the oxygen absorbing material.
本発明により、低温作動性及び酸素吸放出能が改善した酸素吸放出材を提供することが可能となる。 The present invention makes it possible to provide an oxygen absorbing and releasing material with improved low-temperature operability and oxygen absorbing and releasing capacity.
以下、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。 A preferred embodiment of the present invention is described in detail below.
本発明の酸素吸放出材は、下記式(0)によって表される、ルドルスデン・ポッパータイプの層状ペロブスカイト型複合酸化物(以下、本発明の複合酸化物とも記載する)を含有し、好ましくは該複合酸化物からなる。
RE(Fe1-aMa)3Sr3O10-δ (0)
(式中、REは、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、サマリウム(Sm)、ユウロピウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)及びランタン(La)よりなる群から選択される1種以上であり、Mは、マンガン(Mn)、ニッケル(Ni)及びコバルト(Co)よりなる群から選択される1種以上であり、aは0以上1未満の実数であり、δは0以上1未満の実数である。)
The oxygen absorbing/releasing material of the present invention contains a Rudolfsden-Popper type layered perovskite complex oxide (hereinafter also referred to as the complex oxide of the present invention) represented by the following formula (0), and preferably consists of this complex oxide.
RE(Fe 1-a M a ) 3 Sr 3 O 10-δ (0)
(In the formula, RE is one or more selected from the group consisting of praseodymium (Pr), neodymium (Nd), samarium (Sm), europium (Eu), gadolinium (Gd), and lanthanum (La); M is one or more selected from the group consisting of manganese (Mn), nickel (Ni), and cobalt (Co); a is a real number equal to or greater than 0 and less than 1; and δ is a real number equal to or greater than 0 and less than 1.)
式(0)において、REは、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd及びLaよりなる群から選択される1種以上であり、好ましくは、これらから選択される1種である。REは、より低温で酸素吸放出能が優れるという観点から、好ましくはPr、Nd、Eu及びGdよりなる群から選択される1種以上であり、より好ましくはPr、Nd、Eu又はGdである。 In formula (0), RE is at least one selected from the group consisting of Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, and La, and preferably at least one selected from these. From the viewpoint of excellent oxygen absorption/release capacity at lower temperatures, RE is preferably at least one selected from the group consisting of Pr, Nd, Eu, and Gd, and more preferably Pr, Nd, Eu, or Gd.
一実施形態において、本発明の酸素吸放出材は、式(0)においてREがLaであるものであり、これは下記式(1)によって表される。
La(Fe1-aMa)3Sr3O10-δ (1)
(式中、Mは、マンガン(Mn)、ニッケル(Ni)及びコバルト(Co)よりなる群から選択される1種以上であり、aは0以上1未満の実数であり、δは0以上1未満の実数である。)
In one embodiment, the oxygen storage/release material of the present invention is one in which RE is La in formula (0), and is represented by the following formula (1).
La(Fe 1-a M a ) 3 Sr 3 O 10-δ (1)
(In the formula, M is one or more selected from the group consisting of manganese (Mn), nickel (Ni) and cobalt (Co), a is a real number equal to or greater than 0 and less than 1, and δ is a real number equal to or greater than 0 and less than 1.)
本発明の複合酸化物は、高温還元雰囲気に曝されても構造崩壊することなく、優れた酸素吸放出能を低温から発揮することができる。よって、本発明の複合酸化物を含有する酸素吸放出材は、高い酸素吸放出能及び優れた低温作動性を有する。 The composite oxide of the present invention can exhibit excellent oxygen absorption/release capacity even at low temperatures without structural collapse even when exposed to a high-temperature reducing atmosphere. Therefore, the oxygen absorption/release material containing the composite oxide of the present invention has high oxygen absorption/release capacity and excellent low-temperature operability.
本発明の複合酸化物は、ルドルスデン・ポッパータイプの層状ペロブスカイト型の結晶構造を有する。本発明の複合酸化物は、この結晶構造を有することにより、高温還元雰囲気に曝されても構造崩壊することなく、優れた酸素吸放出能を発揮することができる。本発明において、複合酸化物の結晶構造は、例えば、粉末X線回折(XRD)測定によって決定することができる。 The complex oxide of the present invention has a Rudolfsden-Popper type layered perovskite crystal structure. Because the complex oxide of the present invention has this crystal structure, it can exhibit excellent oxygen absorption and release capacity without structural collapse even when exposed to a high-temperature reducing atmosphere. In the present invention, the crystal structure of the complex oxide can be determined, for example, by powder X-ray diffraction (XRD) measurement.
図1Aに、ルドルスデン・ポッパータイプの層状ペロブスカイト型の結晶構造を有する本発明の複合酸化物(RE(Fe1-aMa)3Sr3O10-δ)の模式図を示す。ここで、一般的に、鉄化合物中のFeの酸化数は3又は2であり、3が最も安定な酸化数であることが知られている。式(0)において、δは0以上1未満の実数であるため、例えばaが0である場合、Feの酸化数は3よりも高い。本発明の複合酸化物においては、Feが異常高原子価であることにより、高い酸素吸放出能を発揮することができると考えられる。 FIG. 1A shows a schematic diagram of the composite oxide of the present invention (RE(Fe1 -aM a ) 3Sr3O10 -δ ) having a Rudlesden-Popper type layered perovskite crystal structure. Generally, it is known that the oxidation number of Fe in iron compounds is 3 or 2, with 3 being the most stable oxidation number. In formula (0), δ is a real number equal to or greater than 0 and less than 1, and therefore, for example, when a is 0, the oxidation number of Fe is higher than 3. It is believed that the composite oxide of the present invention is able to exhibit high oxygen absorption/release capacity due to the abnormally high valence of Fe.
一実施形態において、式(0)及び(1)において、aは0であり、すなわち、複合酸化物が金属元素Mを含まない。 In one embodiment, in formulas (0) and (1), a is 0, i.e., the composite oxide does not contain the metal element M.
別の一実施形態において、式(0)及び(1)において、aは0超1未満の実数であり、すなわち、複合酸化物が金属元素Mを含む。本発明の複合酸化物は、Mn、Ni及びCoよりなる群から選択される1種以上である金属元素Mを含むことにより、酸素吸放出能がさらに向上する。式(0)及び(1)において、資源化学的観点及びコストの観点から、好ましくは、aは0.1以上0.3以下の実数である。 In another embodiment, in formulas (0) and (1), a is a real number greater than 0 and less than 1, i.e., the composite oxide contains a metal element M. The composite oxide of the present invention further improves the oxygen absorption/release capacity by containing one or more metal elements M selected from the group consisting of Mn, Ni, and Co. In formulas (0) and (1), from the viewpoint of resource chemistry and cost, a is preferably a real number of 0.1 or more and 0.3 or less.
式(0)及び(1)において、δは、0以上1未満の実数であり、好ましくは0以上0.5以下の実数であり、より好ましくは0.25である。前記の通り、本発明の複合酸化物においては、Feの酸化数が3よりも高い異常高原子価であることにより、高い酸素吸放出能を発揮することができると考えられる。 In formulas (0) and (1), δ is a real number between 0 and 1, preferably between 0 and 0.5, and more preferably 0.25. As described above, it is believed that the complex oxide of the present invention can exhibit high oxygen absorption and release capacity because the oxidation number of Fe is abnormally high, that is, the oxidation number of Fe is higher than 3.
本発明の複合酸化物は、例えば、錯体重合法により調製することができる。好ましい実施形態において、本発明の複合酸化物は、例えば、複合酸化物を構成する各金属の塩、該金属塩総量に対して所定量のカルボン酸(好ましくはクエン酸)及びグリコール(好ましくはエチレングリコール)を水に溶解させてこれらの混合物を得、この混合物を例えば70℃~200℃で加熱攪拌することによりゲルを作製し、これを仮焼成及び本焼成することで調製することができる。この実施形態において、本焼成の温度は、通常800℃~1600℃であり、好ましくは1200℃~1600℃である。 The composite oxide of the present invention can be prepared, for example, by a complex polymerization method. In a preferred embodiment, the composite oxide of the present invention can be prepared, for example, by dissolving in water salts of each metal constituting the composite oxide, a carboxylic acid (preferably citric acid) and a glycol (preferably ethylene glycol) in a predetermined amount relative to the total amount of the metal salts to obtain a mixture of these, heating and stirring this mixture at, for example, 70°C to 200°C to produce a gel, which is then pre-baked and baked. In this embodiment, the temperature for the bake is usually 800°C to 1600°C, preferably 1200°C to 1600°C.
本発明の複合酸化物は、高い酸素吸放出能を示すため、酸素吸放出材に好適に利用できる。 The composite oxide of the present invention exhibits high oxygen absorption and release capacity, making it suitable for use as an oxygen absorption and release material.
本発明は、前記の酸素吸放出材を用いた排ガス浄化用触媒も含む。本発明の排ガス浄化用触媒は、前記の酸素吸放出材と、貴金属(好ましくは酸素吸放出材に担持された貴金属)とを含む。また別の実施形態において、本発明の排ガス浄化用触媒は、貴金属を含まなくてもよい。 The present invention also includes an exhaust gas purification catalyst using the oxygen absorbing/releasing material. The exhaust gas purification catalyst of the present invention contains the oxygen absorbing/releasing material and a precious metal (preferably a precious metal supported on the oxygen absorbing/releasing material). In another embodiment, the exhaust gas purification catalyst of the present invention does not need to contain a precious metal.
本発明の排ガス浄化用触媒に用いることができる貴金属は、特に限定されずに、例えば、金(Au)、銀(Ag)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)、ルテニウム(Ru)及びオスミウム(Os)であり、好ましくはPt、Pd及びRhであり、より好ましくはPdである。 Noble metals that can be used in the exhaust gas purification catalyst of the present invention are not particularly limited and include, for example, gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), palladium (Pd), rhodium (Rh), iridium (Ir), ruthenium (Ru) and osmium (Os), preferably Pt, Pd and Rh, and more preferably Pd.
本発明の排ガス浄化用触媒において、貴金属の含有量は、酸素吸放出材に対して、通常0.001重量%~10重量%であり、好ましくは0.01重量%~5重量%である。 In the exhaust gas purification catalyst of the present invention, the content of the precious metal is usually 0.001% to 10% by weight, preferably 0.01% to 5% by weight, relative to the oxygen absorbing/releasing material.
以下、実施例を用いて本発明をさらに具体的に説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれら実施例に限定されるものではない。 The present invention will be described in more detail below using examples. However, the technical scope of the present invention is not limited to these examples.
<複合酸化物の合成>
本発明の複合酸化物を錯体重合法により合成した。具体的には、各金属塩、同金属塩総量に対して8.57当量のクエン酸及びエチレングリコールをイオン交換水に溶解させた後、加熱攪拌することによりゲルを作製し、仮焼成及びその後の本焼成を経て各複合酸化物粉末を合成した。具体的な手順を以下に記載する。なお、水和物について記載したモル数は、無水物としてのモル数である。
<Synthesis of Complex Oxides>
The composite oxides of the present invention were synthesized by a complex polymerization method. Specifically, each metal salt, citric acid and ethylene glycol (8.57 equivalents relative to the total amount of the metal salts) were dissolved in ion-exchanged water, and then the mixture was heated and stirred to produce a gel, which was then pre-baked and then baked to synthesize each composite oxide powder. The specific procedure is described below. Note that the number of moles of hydrates is the number of moles of anhydrides.
実施例1:LaSr3Fe3O10-δ
ビーカーにクエン酸(400mmol)を加え、イオン交換水(180mL)に溶解させた。そこにFe(NO3)3・9H2O(20mmol)、SrCO3(20mmol)、La(NO3)3・9H2O(6.67mmol)を加えた後、エチレングリコール(400mmol)を加えて室温で30分間撹拌した。撹拌後、130℃で30分~1時間熟成させてゲルを作り、350℃、1~2時間の仮焼成を行い、LaSr3Fe3O10-δの前駆体を得た。前駆体粉末を1400℃で2時間の本焼成を行うことで目的の複合酸化物を合成した。
Example 1: LaSr3Fe3O10 - δ
Citric acid (400 mmol) was added to a beaker and dissolved in ion-exchanged water (180 mL). Fe(NO 3 ) 3 ·9H 2 O (20 mmol), SrCO 3 (20 mmol), La(NO 3 ) 3 ·9H 2 O (6.67 mmol) were added thereto, and then ethylene glycol (400 mmol) was added and stirred at room temperature for 30 minutes. After stirring, the mixture was aged at 130°C for 30 minutes to 1 hour to create a gel, and then pre-baked at 350°C for 1 to 2 hours to obtain a precursor of LaSr 3 Fe 3 O 10-δ . The precursor powder was then baked at 1400°C for 2 hours to synthesize the desired composite oxide.
実施例2:LaSr3(Fe0.8Mn0.2)3O10-δ
Fe(NO3)3・9H2O(20mmol)をFe(NO3)3・9H2O(16mmol)及びMn(NO3)2・6H2O(4mmol)に変更した以外は実施例1と同様にして目的の複合酸化物を合成した。
Example 2: LaSr3 ( Fe0.8Mn0.2 ) 3O10 - δ
The target composite oxide was synthesized in the same manner as in Example 1, except that Fe(NO 3 ) 3.9H 2 O (20 mmol) was changed to Fe(NO 3 ) 3.9H 2 O (16 mmol) and Mn(NO 3 ) 2.6H 2 O (4 mmol).
実施例3:LaSr3(Fe0.8Co0.2)3O10-δ
Fe(NO3)3・9H2O(20mmol)をFe(NO3)3・9H2O(16mmol)及びCo(NO3)2・6H2O(4mmol)に変更した以外は実施例1と同様にして目的の複合酸化物を合成した。
Example 3: LaSr3 ( Fe0.8Co0.2 ) 3O10 - δ
The target composite oxide was synthesized in the same manner as in Example 1, except that Fe(NO 3 ) 3.9H 2 O (20 mmol) was changed to Fe(NO 3 ) 3.9H 2 O (16 mmol) and Co(NO 3 ) 2.6H 2 O (4 mmol).
実施例4:LaSr3(Fe0.8Ni0.2)3O10-δ
Fe(NO3)3・9H2O(20mmol)をFe(NO3)3・9H2O(16mmol)及びNi(NO3)2・6H2O(4mmol)に変更した以外は実施例1と同様にして目的の複合酸化物を合成した。
Example 4: LaSr3 ( Fe0.8Ni0.2 ) 3O10 - δ
The target composite oxide was synthesized in the same manner as in Example 1, except that Fe(NO 3 ) 3.9H 2 O (20 mmol) was changed to Fe(NO 3 ) 3.9H 2 O (16 mmol) and Ni(NO 3 ) 2.6H 2 O (4 mmol).
比較例1:Sr3Fe2O7-δ
ビーカーにクエン酸(400mmol)を加え、イオン交換水(180mL)に溶解させた。そこにFe(NO3)3・9H2O(13.3mmol)、SrCO3(20mmol)を加えた後、エチレングリコール(400mmol)を加えて室温で30分間撹拌した。撹拌後、130℃で30分~1時間熟成させてゲルを作り、350℃、1~2時間の仮焼成を行い、Sr3Fe2O7-δの前駆体を得た。前駆体粉末を1000℃で5時間の本焼成を行うことで目的の複合酸化物を合成した。
Comparative example 1: Sr 3 Fe 2 O 7-δ
Citric acid (400 mmol) was added to a beaker and dissolved in ion-exchanged water (180 mL). Fe(NO 3 ) 3.9H 2 O (13.3 mmol) and SrCO 3 (20 mmol) were added thereto, followed by ethylene glycol (400 mmol) and stirring at room temperature for 30 minutes. After stirring, the mixture was aged at 130°C for 30 minutes to 1 hour to create a gel, which was then pre-baked at 350°C for 1 to 2 hours to obtain a precursor of Sr 3 Fe 2 O 7-δ . The precursor powder was then baked at 1000°C for 5 hours to synthesize the desired composite oxide.
比較例2:SrFeO3-δ
ビーカーにクエン酸(400mmol)を加え、イオン交換水(180mL)に溶解させた。そこにFe(NO3)3・9H2O(20mmol)、SrCO3(20mmol)を加えた後、エチレングリコール(400mmol)を加えて室温で30分間撹拌した。撹拌後、130℃で30分~1時間熟成させてゲルを作り、マントルヒーター中で350℃、1~2時間の仮焼成を行い、SrFeO3-δの前駆体を得た。前駆体粉末を1000℃で2時間の本焼成を行うことで目的の複合酸化物を合成した。
Comparative example 2: SrFeO 3-δ
Citric acid (400 mmol) was added to a beaker and dissolved in ion-exchanged water (180 mL). Fe(NO 3 ) 3.9H 2 O (20 mmol) and SrCO 3 (20 mmol) were added thereto, followed by ethylene glycol (400 mmol) and stirring at room temperature for 30 minutes. After stirring, the mixture was aged at 130°C for 30 minutes to 1 hour to create a gel, which was then pre-baked at 350°C for 1 to 2 hours in a mantle heater to obtain a precursor of SrFeO 3-δ . The precursor powder was then baked at 1000°C for 2 hours to synthesize the desired composite oxide.
<分析及び性能評価>
粉末X線回折(XRD)
試料水平型多目的X線回折装置(Miniflex及びSmartLab Studio II, Rigaku Corp.)を用いてCu Kα[40kV,15mA(Miniflex),50mA(SmartLab Studio II)]をX線源として行った。
<Analysis and performance evaluation>
Powder X-ray diffraction (XRD)
The analysis was performed using a horizontal sample type multipurpose X-ray diffraction apparatus (Miniflex and SmartLab Studio II, Rigaku Corp.) with Cu Kα [40 kV, 15 mA (Miniflex), 50 mA (SmartLab Studio II)] as the X-ray source.
水素昇温還元(H2-TPR)
マイクロトラックベル社製Belcat Aを用いた。試料粉末約50mgを精秤してサンプル管に導入後、30mL/minの20% O2/Heを流通させながら500℃まで昇温し、10分間前処理を行った後に冷却した。Arガスに置換した後、5% H2/Arを30mL/minで流通させ、10℃/minで試料を加熱しながら、昇温し、水素(H2)消費量を分析した。分析は熱伝導度型検出器(TCD)で行い、TCD前段に乾燥材を配置して、生成する水をトラップした。
Hydrogen Temperature Programmed Reduction (H 2 -TPR)
Belcat A manufactured by Microtrackbell was used. After weighing out about 50 mg of sample powder and introducing it into a sample tube, the temperature was raised to 500° C. while 20% O 2 /He was circulated at 30 mL/min, and the sample was pretreated for 10 minutes and then cooled. After replacing with Ar gas, 5% H 2 /Ar was circulated at 30 mL/min, and the sample was heated at 10° C./min while being heated, and the hydrogen (H 2 ) consumption was analyzed. The analysis was performed with a thermal conductivity detector (TCD), and a desiccant was placed in front of the TCD to trap the water produced.
X線吸収微細構造(XAFS)
公益財団法人高輝度光科学研究センター大型放射光施設SPring-8のビームラインBL01B1において蛍光法で測定した。
X-ray absorption fine structure (XAFS)
Measurements were performed using a fluorescence method at beamline BL01B1 of the SPring-8 synchrotron radiation facility of the Japan Synchrotron Radiation Research Institute, a public interest incorporated foundation.
熱重量分析による酸素吸蔵試験
熱重量分析装置(TG STA 2500 Regulus,NETZSCH)を用いて酸素吸放出能測定を行った。試料100mg(0.3mm~0.7mmに整粒)を天秤に載せ、2% O2/Ar流通下、500℃で1時間保持した後、500℃において2% H2/Ar(100mL/min)と2% O2/Ar(100mL/min)を20分ごとに切り替えながら流通させた際の重量変化を分析し、酸素吸放出量を求めた。
Oxygen storage test by thermogravimetric analysis Oxygen absorption and release capacity was measured using a thermogravimetric analyzer (TG STA 2500 Regulus, NETZSCH). 100 mg of sample (sized to 0.3 mm to 0.7 mm) was placed on a balance and held at 500°C for 1 hour under 2% O 2 /Ar flow, and then 2% H 2 /Ar (100 mL/min) and 2% O 2 /Ar (100 mL/min) were flowed at 500°C while switching between them every 20 minutes, and the weight change was analyzed to determine the amount of oxygen absorbed and released.
CO/O2交互パルス法による酸素吸蔵試験
固定床流通式反応器に試料ペレット2gを配置し、FT-IR分析計(ベスト測器SESAM-HL)と酸素計(同BEX)で各ガスの転化挙動を調べた。10L/minの流速で10% O2/N2ガスを流しながら500℃まで試料を加熱した。同流量、同温度で1% O2/N2と2% CO/N2をそれぞれ120秒間ずつ6サイクル逐次導入し、CO導入期間中のCO2生成量の2~5サイクルの平均値を酸素吸放出量として算出した。
Oxygen storage test by CO/ O2 alternating pulse method 2g of sample pellets were placed in a fixed-bed flow reactor, and the conversion behavior of each gas was examined using an FT-IR analyzer (Best Instruments SESAM-HL) and an oxygen meter (BEX). The sample was heated to 500°C while flowing 10% O2 / N2 gas at a flow rate of 10 L/min. 1% O2 / N2 and 2% CO/ N2 were introduced sequentially at the same flow rate and temperature for 6 cycles, each for 120 seconds, and the average value of the 2nd to 5th cycles of the CO2 generation amount during the CO introduction period was calculated as the oxygen absorption and release amount.
<複合酸化物の分析及び性能評価>
図1Bに、LaSr3Fe3O10-δ(実施例1)、Sr3Fe2O7-δ(比較例1)及びSrFeO3-δ(比較例2)のXRDパターンを示す。図1Bに示されるように、比較例2の回折線は立方晶系ペロブスカイトに特徴的な回折パターンと一致していた。一方、実施例1及び比較例1の回折線はそれぞれ32°付近の最強線が二本に分裂しており、ルドルスデン・ポッパータイプの層状ペロブスカイトに特徴的な回折パターンと一致していた。
<Analysis and performance evaluation of complex oxides>
Figure 1B shows the XRD patterns of LaSr 3 Fe 3 O 10-δ (Example 1), Sr 3 Fe 2 O 7-δ (Comparative Example 1), and SrFeO 3-δ (Comparative Example 2). As shown in Figure 1B, the diffraction lines of Comparative Example 2 matched the diffraction pattern characteristic of cubic perovskite. On the other hand, the diffraction lines of Example 1 and Comparative Example 1 each had the strongest line at about 32° split into two, matching the diffraction pattern characteristic of Rdolphden-Popper type layered perovskite.
LaSr3Fe3O10-δ(実施例1)、Sr3Fe2O7-δ(比較例1)及びSrFeO3-δ(比較例2)について、水素昇温還元(H2-TPR)により、Feイオンの還元挙動を評価した。図1Cに、LaSr3Fe3O10-δ(実施例1)、Sr3Fe2O7-δ(比較例1)及びSrFeO3-δ(比較例2)のH2-TPR分析結果を示す。図1Cにおいて、比較例2の500℃にピークを示す水素消費は、式1:SrFeO3+1/2H2→SrFeO2.5+1/2H2Oによって示される、酸化物構造の崩壊を伴わないトポタクティック転移反応によるものである。一方、比較例2の700℃以上で認められる水素消費は、式2:3SrFeO3+1/2H2→Sr3Fe2O6+Fe+1/2H2Oによって示される、酸化物構造の崩壊を伴う不可逆反応によるものである。一方、実施例1及び比較例1では、それぞれ490℃及び510℃にメインピークを持つ水素消費が検出され、共にトポタクティック転移による水素消費と帰属された。実施例1及び比較例1においては、比較例2とは異なり、700℃以上の酸化物構造の崩壊に由来する水素消費は殆ど認められず、層状ペロブスカイトの特異構造により構造安定性が比較例2に比べて高まっていることが示された。また、水素消費ピーク温度は、実施例1では490℃であり、比較例1の510℃と比べて低温に認められ、実施例1の方が比較例1よりも酸素脱離が低温から発現し、低温作動性に優れることが示された。 The reduction behavior of Fe ions was evaluated by hydrogen temperature-programmed reduction (H 2 -TPR) for LaSr 3 Fe 3 O 10-δ (Example 1), Sr 3 Fe 2 O 7-δ (Comparative Example 1), and SrFeO 3 -δ (Comparative Example 2). Figure 1C shows the H 2 -TPR analysis results for LaSr 3 Fe 3 O 10-δ (Example 1), Sr 3 Fe 2 O 7-δ (Comparative Example 1), and SrFeO 3-δ (Comparative Example 2). In Figure 1C , the hydrogen consumption peak at 500°C for Comparative Example 2 is due to a topotactic transition reaction without collapse of the oxide structure, as shown by the formula 1: SrFeO 3 + 1/2H 2 → SrFeO 2.5 + 1/2H 2 O. On the other hand, the hydrogen consumption observed at 700°C or higher in Comparative Example 2 is due to an irreversible reaction accompanied by the collapse of the oxide structure, as shown by the formula 2 : 3SrFeO3 + 1 / 2H2 → Sr3Fe2O6 + Fe + 1/ 2H2O . On the other hand, in Example 1 and Comparative Example 1, hydrogen consumption with main peaks at 490°C and 510°C, respectively, was detected, and both were attributed to hydrogen consumption due to topotactic transition. Unlike Comparative Example 2, in Example 1 and Comparative Example 1, hydrogen consumption due to the collapse of the oxide structure at 700°C or higher was hardly observed, indicating that the structural stability was increased compared to Comparative Example 2 due to the unique structure of the layered perovskite. In addition, the hydrogen consumption peak temperature was 490°C in Example 1, which was observed at a lower temperature than 510°C in Comparative Example 1, and it was shown that Example 1 exhibited oxygen desorption from a lower temperature than Comparative Example 1, and was superior in low-temperature operation.
LaSr3Fe3O10-δ(実施例1:新品)を500℃で2% H2/Arで処理して還元した試料(H2処理後試料)、及びこれを2% O2/Arで再酸化した試料(再酸化後試料)を作製し、これらを分析した。図2Aに、実施例1新品試料、H2処理後試料及び再酸化後試料のXRDパターンを示す。図2Aにおいて、H2処理後試料のXRDパターンはLaSr3Fe3O9のXRDパターンと一致しており、これは、H2処理によって酸化物構造が崩壊することなくLaSr3Fe3O10-δの中間の層の酸素が挿入・脱離され、Feが6配位から4配位に転移したことを示した。図2Bに、LaSr3Fe3O10-δとLaSr3Fe3O9の間での転移反応の模式図を示す。一方、再酸化後試料のXRDパターンは新品試料のそれと完全に一致しており、この複合酸化物はトポタクティックな酸素の吸脱離が可逆的に進行することを示した。 A sample (H2-treated sample) was prepared by treating LaSr 3 Fe 3 O 10-δ (Example 1: new) with 2% H 2 / Ar at 500°C to reduce it, and a sample (reoxidized sample) was prepared by reoxidizing it with 2% O 2 /Ar, and these were analyzed. Figure 2A shows the XRD patterns of the new sample of Example 1, the sample after H 2 treatment, and the sample after reoxidation. In Figure 2A, the XRD pattern of the sample after H 2 treatment is consistent with the XRD pattern of LaSr 3 Fe 3 O 9 , which indicates that oxygen was inserted and removed from the intermediate layer of LaSr 3 Fe 3 O 10-δ without the oxide structure being destroyed by the H 2 treatment, and Fe was transformed from 6-fold to 4-fold coordination. Figure 2B shows a schematic diagram of the transition reaction between LaSr 3 Fe 3 O 10-δ and LaSr 3 Fe 3 O 9. On the other hand, the XRD pattern of the reoxidized sample was completely consistent with that of the new sample, indicating that the topotactic adsorption and desorption of oxygen proceeds reversibly in this composite oxide.
図2Cに、実施例1新品試料、H2処理後試料及び再酸化後試料のXAFSによるX線吸収スペクトルの分析結果を示す。図2Cに示されるように、X線吸収端近傍構造において、実施例1新品試料のFe K-吸収端エネルギーは概ね3.5価に相当していた。H2処理後試料における同吸収端エネルギーは低エネルギー側にシフトし、3価のFeにまで還元された。再酸化することで、Feの酸化数は新品同様3.5価に回復した。これらの結果は、図2Aに示されるXRD分析結果と同様に、この複合酸化物における酸素の吸脱離が可逆的に進行することを示した。このように、LaSr3Fe3O10-δ(実施例1)中のFeの酸化数は、3よりも高い異常高原子価であり、これが優れた酸素吸放出能の発現に寄与していると考えられる。 FIG. 2C shows the results of the analysis of the X-ray absorption spectrum by XAFS of the new sample of Example 1, the sample after H 2 treatment, and the sample after reoxidation. As shown in FIG. 2C, in the structure near the X-ray absorption edge, the Fe K-absorption edge energy of the new sample of Example 1 was roughly equivalent to 3.5 valence. The absorption edge energy of the sample after H 2 treatment shifted to the low energy side and was reduced to trivalent Fe. By reoxidation, the oxidation number of Fe was restored to 3.5 valence, the same as that of the new sample. These results, similar to the XRD analysis results shown in FIG. 2A, showed that the adsorption and desorption of oxygen in this composite oxide proceeded reversibly. Thus, the oxidation number of Fe in LaSr 3 Fe 3 O 10-δ (Example 1) is an abnormally high valence higher than 3, which is thought to contribute to the development of excellent oxygen adsorption and desorption capacity.
図3に、LaSr3Fe3O10-δ(実施例1)と、LaSr3Fe3O10-δのFeをMn、Co又はNiにそれぞれ部分置換した実施例2~4のXRDパターンを示す。図3に示されるように、実施例2~4においても、実施例1と同様に、回折線はそれぞれ32°付近の最強線が二本に分裂しており、ルドルスデン・ポッパータイプの層状ペロブスカイトに特徴的な回折パターンと一致していた。 Fig. 3 shows the XRD patterns of LaSr 3 Fe 3 O 10-δ (Example 1) and Examples 2 to 4 in which Fe in LaSr 3 Fe 3 O 10-δ was partially substituted with Mn, Co, or Ni, respectively. As shown in Fig. 3, in Examples 2 to 4 as well, as in Example 1, the diffraction lines each had the strongest line at about 32° split into two, which matched the diffraction pattern characteristic of the Rdolphin-Popper type layered perovskite.
実施例1~4及び比較例1の複合酸化物について、熱重量分析による酸素吸蔵試験を行った結果を表1に示す。表1に示されるように、LaSr3Fe3O10-δ(実施例1)は、可逆性のあるトポタクティックな転移が可能なSr3Fe2O7-δ(比較例1)に比べて大きな酸素吸放出量を示した。実施例1及び比較例1の複合酸化物はいずれも、Feの酸化数が3よりも高い異常高原子価であるため、高い酸素吸放出能を発揮することができると考えられる。実施例1の複合酸化物は、比較例1の複合酸化物よりも重量当たりのFe含有量が多く、これが、比較例1の複合酸化物と比較して酸素吸放出能が高い一因であると推測される。また、LaSr3Fe3O10-δ(実施例1)のFeの2割をMn、Co又はNiにそれぞれ置換した実施例2~4の複合酸化物は、実施例1の複合酸化物と比較してさらに大きな酸素吸放出量を示した。 The results of the oxygen storage test by thermogravimetric analysis for the composite oxides of Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 are shown in Table 1. As shown in Table 1, LaSr 3 Fe 3 O 10-δ (Example 1) showed a larger oxygen absorption/release amount than Sr 3 Fe 2 O 7-δ (Comparative Example 1), which is capable of reversible topotactic transition. Both the composite oxides of Example 1 and Comparative Example 1 have an abnormally high valence of Fe, the oxidation number of which is higher than 3, and are therefore considered to be capable of exhibiting high oxygen absorption/release capacity. The composite oxide of Example 1 has a higher Fe content per weight than the composite oxide of Comparative Example 1, which is presumably one of the reasons for the higher oxygen absorption/release capacity compared to the composite oxide of Comparative Example 1. In addition, the composite oxides of Examples 2 to 4, in which 20% of the Fe in LaSr 3 Fe 3 O 10-δ (Example 1) was replaced with Mn, Co, or Ni, respectively, showed even larger oxygen absorption/release amounts compared to the composite oxide of Example 1.
<触媒の調製>
複合酸化物に対して1重量%となるように、パラジウムを実施例1~4及び比較例1、2の各複合酸化物に担持して触媒を調製した。また、セリア-ジルコニア複合酸化物を用いた触媒を調製した。具体的な手順を以下に記載する。
<Preparation of catalyst>
Catalysts were prepared by supporting palladium on each of the composite oxides of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2 so that the amount of palladium was 1% by weight relative to the composite oxide. In addition, catalysts were prepared using ceria-zirconia composite oxide. The specific procedure is described below.
実施例5~8及び比較例3、4の触媒
ビーカーにアセトンを加え、酢酸パラジウムを溶解させた。そこに実施例1~4及び比較例1、2の各複合酸化物をそれぞれ加えた後、加熱攪拌して溶媒を留去した。120℃で一晩乾燥した後、得られた固体を乳鉢で粉砕し、500℃で2時間焼成することにより、触媒を調製した。実施例1~4及び比較例1、2の各複合酸化物を用いて調製した触媒をそれぞれ実施例5~8及び比較例3、4とした。
Catalysts of Examples 5 to 8 and Comparative Examples 3 and 4 Acetone was added to a beaker to dissolve palladium acetate. Each of the composite oxides of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2 was added thereto, and the mixture was heated and stirred to distill off the solvent. After drying overnight at 120°C, the resulting solid was crushed in a mortar and calcined at 500°C for 2 hours to prepare a catalyst. The catalysts prepared using each of the composite oxides of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2 were designated as Examples 5 to 8 and Comparative Examples 3 and 4, respectively.
比較例5及び6の触媒
ビーカーに蒸留水を加え、硝酸パラジウムを溶解させた。そこに市販のセリア-ジルコニア複合酸化物を加えた後、加熱攪拌して溶媒を留去した。120℃で一晩乾燥した後、得られた固体を乳鉢で粉砕し、500℃で2時間焼成することにより触媒を調製した。セリア-ジルコニア複合酸化物として、CeO2/ZrO2=67/33及びCeO2/ZrO2=33/67の複合酸化物を用い、これらを用いて調製した触媒をそれぞれ比較例5及び6とした。
Catalysts of Comparative Examples 5 and 6 Distilled water was added to a beaker, and palladium nitrate was dissolved therein. A commercially available ceria-zirconia composite oxide was added thereto, and the mixture was heated and stirred to remove the solvent. After drying overnight at 120°C, the resulting solid was crushed in a mortar and fired at 500°C for 2 hours to prepare a catalyst. As the ceria-zirconia composite oxide, composite oxides of CeO 2 /ZrO 2 = 67/33 and CeO 2 /ZrO 2 = 33/67 were used, and the catalysts prepared using these were designated Comparative Examples 5 and 6, respectively.
<触媒の分析及び性能評価>
図4に、Pd/LaSr3Fe3O10-δ(実施例5)、Pd/Sr3Fe2O7-δ(比較例3)及びPd/SrFeO3-δ(比較例4)のH2-TPR分析結果を示す。図4において、比較例4では、85℃にピークを持つトポタクティック転移に帰属される水素消費が認められたのと共に、図1CのSrFeO3-δ(比較例2)と同様に、700℃以上に、酸化物構造の崩壊に由来する水素消費が検出された。一方、実施例5及び比較例3では、それぞれ83℃及び98℃にトポタクティック転移に帰属される水素消費が認められたが、700℃以上の酸化物構造の崩壊に由来する水素消費は殆ど認められなかった。これらの結果は、パラジウム等の貴金属が担持された触媒も、ルドルスデン・ポッパータイプの層状ペロブスカイトの高い構造安定性を有することを示した。また、実施例5の水素消費ピーク温度(83℃)は、比較例3のこの温度(98℃)と比べて低温に認められ、実施例5の方が酸素脱離が低温から発現し、低温作動性に優れることが示された。このように、LaSr3Fe3O10-δ(実施例1)及びPd/LaSr3Fe3O10-δ(実施例5)はいずれも、還元雰囲気において高い構造安定性を有すると共に、高い酸素吸放出能を示すことが知られている従来の複合酸化物及びこれを用いた触媒(比較例1及び3)に比べて優れた低温作動性を示した。
<Catalyst analysis and performance evaluation>
FIG. 4 shows the results of H 2 -TPR analysis of Pd/LaSr 3 Fe 3 O 10-δ (Example 5), Pd/Sr 3 Fe 2 O 7-δ (Comparative Example 3), and Pd/SrFeO 3-δ (Comparative Example 4). In FIG. 4, in Comparative Example 4, hydrogen consumption attributable to the topotactic transition with a peak at 85° C. was observed, and hydrogen consumption due to the collapse of the oxide structure was detected at 700° C. or higher, similar to SrFeO 3-δ (Comparative Example 2) in FIG. 1C. On the other hand, in Example 5 and Comparative Example 3, hydrogen consumption attributable to the topotactic transition was observed at 83° C. and 98° C., respectively, but hydrogen consumption due to the collapse of the oxide structure at 700° C. or higher was hardly observed. These results showed that catalysts carrying precious metals such as palladium also have high structural stability of the Rdolphin-Popper type layered perovskite. Furthermore, the hydrogen consumption peak temperature (83°C) of Example 5 was observed at a lower temperature than that of Comparative Example 3 (98°C), indicating that Example 5 exhibited superior low-temperature operability, with oxygen desorption occurring at a lower temperature. Thus, both LaSr 3 Fe 3 O 10-δ (Example 1) and Pd/LaSr 3 Fe 3 O 10-δ (Example 5) had high structural stability in a reducing atmosphere, and exhibited superior low-temperature operability compared to conventional composite oxides and catalysts using the same (Comparative Examples 1 and 3), which are known to exhibit high oxygen storage and release capacity.
図5に、Pd/LaSr3Fe3O10-δ(実施例5)と、LaSr3Fe3O10-δのFeをMn、Co又はNiにそれぞれ部分置換した複合酸化物を用いた触媒(実施例6~8)のH2-TPR分析結果を示す。図5に示されるように、実施例5~8のいずれにおいても、100℃付近にトポタクティック転移に帰属される水素消費が認められ、700℃以上の酸化物構造の崩壊に由来する水素消費は殆ど認められなかった。これらの結果は、LaSr3Fe3O10-δ中のFeの一部をMn、Co又はNiにそれぞれ置換した複合酸化物を用いた触媒も、ルドルスデン・ポッパータイプの層状ペロブスカイトの高い構造安定性を有することを示した。 5 shows the results of H 2 -TPR analysis of Pd/LaSr 3 Fe 3 O 10-δ (Example 5) and catalysts (Examples 6 to 8) using composite oxides in which Fe in LaSr 3 Fe 3 O 10 -δ is partially substituted with Mn, Co, or Ni, respectively. As shown in FIG. 5, in all of Examples 5 to 8, hydrogen consumption attributed to topotactic transition was observed near 100°C, and hydrogen consumption due to the collapse of the oxide structure at 700°C or higher was hardly observed. These results showed that the catalysts using composite oxides in which part of Fe in LaSr 3 Fe 3 O 10-δ is substituted with Mn, Co, or Ni, respectively, also have high structural stability of the Rdolphin-Popper type layered perovskite.
実施例5~8及び比較例3、5、6の触媒について、CO/O2交互パルス法による酸素吸蔵試験を行った結果を表2に示す。表2に示されるように、Pd/LaSr3Fe3O10-δ(実施例5)は、可逆的トポタクティック転移が可能な従来の鉄系複合酸化物にPdを担持した触媒であるPd/Sr3Fe2O7-δ(比較例3)、及び高い酸素吸放出能を示すことが知られる従来のセリア-ジルコニア複合酸化物にPdを担持した触媒であるPd/Ce0.7Zr0.3O2(比較例5)、Pd/Ce0.3Zr0.7O2(比較例6)に比べて酸素吸放出量が多く、優れた酸素吸放出能を示した。また、Pd/LaSr3Fe3O10-δ(実施例5)の複合酸化物のFeの2割をMn、Co又はNiにそれぞれ置換した実施例6~8の触媒は、実施例5の触媒と比べて酸素吸放出量がより多く、さらに高い酸素吸放出能を示した。 The results of oxygen storage tests by the CO/ O2 alternating pulse method for the catalysts of Examples 5 to 8 and Comparative Examples 3, 5 , and 6 are shown in Table 2. As shown in Table 2, Pd/ LaSr3Fe3O10 -δ (Example 5) showed a larger amount of oxygen absorption and release and an excellent oxygen absorption and release capacity than Pd/ Sr3Fe2O7 -δ (Comparative Example 3), which is a catalyst in which Pd is supported on a conventional iron-based composite oxide capable of reversible topotactic transition, and Pd/ Ce0.7Zr0.3O2 (Comparative Example 5) and Pd/ Ce0.3Zr0.7O2 (Comparative Example 6 ), which are catalysts in which Pd is supported on a conventional ceria-zirconia composite oxide known to exhibit high oxygen absorption and release capacity. Furthermore, the catalysts of Examples 6 to 8, in which 20% of the Fe in the composite oxide of Pd/LaSr 3 Fe 3 O 10-δ (Example 5) was replaced with Mn, Co or Ni, respectively, had a larger oxygen absorption and release amount than the catalyst of Example 5 and showed even higher oxygen absorption and release capacity.
<複合酸化物の合成2>
実施例1の複合酸化物(LaSr3Fe3O10-δ)のLaを他の金属に変更した実施例9~13及び比較例7~13の複合酸化物を作製した。なお、水和物について記載したモル数は、無水物としてのモル数である。
<Synthesis of Complex Oxide 2>
The composite oxides of Examples 9 to 13 and Comparative Examples 7 to 13 were prepared by changing La in the composite oxide (LaSr 3 Fe 3 O 10-δ ) of Example 1 to another metal. Note that the number of moles shown for hydrates is the number of moles for the anhydride.
実施例9:PrSr3Fe3O10-δ
La(NO3)3・9H2O(6.67mmol)をPr(NO3)3・6H2O(6.67mmol)に変更した以外は実施例1と同様にして目的の複合酸化物を合成した。
Example 9: PrSr3Fe3O10 - δ
The target composite oxide was synthesized in the same manner as in Example 1, except that La(NO 3 ) 3.9H 2 O (6.67 mmol) was changed to Pr(NO 3 ) 3.6H 2 O (6.67 mmol).
実施例10:NdSr3Fe3O10-δ
La(NO3)3・9H2O(6.67mmol)をNd(NO3)3・6H2O(6.67mmol)に変更した以外は実施例1と同様にして目的の複合酸化物を合成した。
Example 10: NdSr3Fe3O10 - δ
The target composite oxide was synthesized in the same manner as in Example 1, except that La(NO 3 ) 3.9H 2 O (6.67 mmol) was changed to Nd(NO 3 ) 3.6H 2 O (6.67 mmol).
実施例11:SmSr3Fe3O10-δ
La(NO3)3・9H2O(6.67mmol)をSm(NO3)3・6H2O(6.67mmol)に変更した以外は実施例1と同様にして目的の複合酸化物を合成した。
Example 11: SmSr3Fe3O10 - δ
The target composite oxide was synthesized in the same manner as in Example 1, except that La(NO 3 ) 3.9H 2 O (6.67 mmol) was changed to Sm(NO 3 ) 3.6H 2 O (6.67 mmol).
実施例12:EuSr3Fe3O10-δ
La(NO3)3・9H2O(6.67mmol)をEu(NO3)3・6H2O(6.67mmol)に変更した以外は実施例1と同様にして目的の複合酸化物を合成した。
Example 12: EuSr3Fe3O10 - δ
The target composite oxide was synthesized in the same manner as in Example 1, except that La(NO 3 ) 3.9H 2 O (6.67 mmol) was changed to Eu(NO 3 ) 3.6H 2 O (6.67 mmol).
実施例13:GdSr3Fe3O10-δ
La(NO3)3・9H2O(6.67mmol)をGd(NO3)3・5H2O(6.67mmol)に変更した以外は実施例1と同様にして目的の複合酸化物を合成した。
Example 13: GdSr3Fe3O10 - δ
The target composite oxide was synthesized in the same manner as in Example 1, except that La(NO 3 ) 3.9H 2 O (6.67 mmol) was changed to Gd(NO 3 ) 3.5H 2 O (6.67 mmol).
比較例7:YSr3Fe3O10-δ
La(NO3)3・9H2O(6.67mmol)をY(NO3)3・6H2O(6.67mmol)に変更した以外は実施例1と同様にして目的の複合酸化物を合成した。
Comparative Example 7: YSr 3 Fe 3 O 10-δ
The target composite oxide was synthesized in the same manner as in Example 1, except that La(NO 3 ) 3 .9H 2 O (6.67 mmol) was changed to Y(NO 3 ) 3 .6H 2 O (6.67 mmol).
比較例8:CeSr3Fe3O10-δ
La(NO3)3・9H2O(6.67mmol)をCe(NO3)3・6H2O(6.67mmol)に変更した以外は実施例1と同様にして目的の複合酸化物を合成した。
Comparative example 8: CeSr 3 Fe 3 O 10-δ
The target composite oxide was synthesized in the same manner as in Example 1, except that La(NO 3 ) 3.9H 2 O (6.67 mmol) was changed to Ce(NO 3 ) 3.6H 2 O (6.67 mmol).
比較例9:TbSr3Fe3O10-δ
La(NO3)3・9H2O(6.67mmol)をTb(NO3)3・5H2O(6.67mmol)に変更した以外は実施例1と同様にして目的の複合酸化物を合成した。
Comparative Example 9: TbSr 3 Fe 3 O 10-δ
The target composite oxide was synthesized in the same manner as in Example 1, except that La(NO 3 ) 3.9H 2 O (6.67 mmol) was changed to Tb(NO 3 ) 3.5H 2 O (6.67 mmol).
比較例10:DySr3Fe3O10-δ
La(NO3)3・9H2O(6.67mmol)をDy(NO3)3・5H2O(6.67mmol)に変更した以外は実施例1と同様にして目的の複合酸化物を合成した。
Comparative example 10: DySr 3 Fe 3 O 10-δ
The target composite oxide was synthesized in the same manner as in Example 1, except that La(NO 3 ) 3.9H 2 O (6.67 mmol) was changed to Dy(NO 3 ) 3.5H 2 O (6.67 mmol).
比較例11:HoSr3Fe3O10-δ
La(NO3)3・9H2O(6.67mmol)をHo(NO3)3・5H2O(6.67mmol)に変更した以外は実施例1と同様にして目的の複合酸化物を合成した。
Comparative Example 11: HoSr 3 Fe 3 O 10-δ
The target composite oxide was synthesized in the same manner as in Example 1, except that La(NO 3 ) 3.9H 2 O (6.67 mmol) was changed to Ho(NO 3 ) 3.5H 2 O (6.67 mmol).
比較例12:ErSr3Fe3O10-δ
La(NO3)3・9H2O(6.67mmol)をEr(NO3)3・5H2O(6.67mmol)に変更した以外は実施例1と同様にして目的の複合酸化物を合成した。
Comparative Example 12: ErSr 3 Fe 3 O 10-δ
The target composite oxide was synthesized in the same manner as in Example 1, except that La(NO 3 ) 3.9H 2 O (6.67 mmol) was changed to Er(NO 3 ) 3.5H 2 O (6.67 mmol).
比較例13:YbSr3Fe3O10-δ
La(NO3)3・9H2O(6.67mmol)をYb(NO3)3・5H2O(6.67mmol)に変更した以外は実施例1と同様にして目的の複合酸化物を合成した。
Comparative example 13: YbSr 3 Fe 3 O 10-δ
The target composite oxide was synthesized in the same manner as in Example 1, except that La(NO 3 ) 3.9H 2 O (6.67 mmol) was changed to Yb(NO 3 ) 3.5H 2 O (6.67 mmol).
図6に、実施例1、9~13のXRDパターンを示す。また、図7に、比較例7~13のXRDパターンを示す。図6に示されるように、実施例9~13の回折線は、実施例1の回折線と同様に、それぞれ32°付近の最強線が二本に分裂しており、ルドルスデン・ポッパータイプの層状ペロブスカイトに特徴的な回折パターンと一致していた。一方、図7に示されるように、比較例7~13では、いずれもSrFeO3と(RE)2O3(REは、比較例7~13においてそれぞれY、Ce、Tb、Dy、Ho、Er又はYbである)の回折線が検出され、ルドルスデン・ポッパータイプの層状ペロブスカイトが生成しなかったことが認められる。 FIG. 6 shows the XRD patterns of Examples 1 and 9 to 13. FIG. 7 shows the XRD patterns of Comparative Examples 7 to 13. As shown in FIG. 6, the diffraction lines of Examples 9 to 13, like the diffraction lines of Example 1, have the strongest line around 32° split into two, and match the diffraction pattern characteristic of the Rudlesden-Popper type layered perovskite. On the other hand, as shown in FIG. 7, in Comparative Examples 7 to 13, the diffraction lines of SrFeO 3 and (RE) 2 O 3 (RE is Y, Ce, Tb, Dy, Ho, Er, or Yb, respectively) were detected, and it was recognized that the Rudlesden-Popper type layered perovskite was not generated.
図8に、実施例1、9~13のH2-TPR分析結果を示す。図1Cについて前記の通り、実施例1では、490℃に水素消費ピークが検出され、トポタクティック転移による水素消費と帰属された。前記の通り、実施例1においては、700℃以上の酸化物構造の崩壊に由来する水素消費は殆ど認められず、構造安定性が高まっており、また、490℃という低温から酸素脱離が発現し、低温作動性に優れていた。図8に示されるように、実施例9~13の水素消費ピークは、実施例1と同等以下の低温に認められ、酸素脱離が実施例1と同等以下の低温から発現することが示された。また、実施例9~13では、600℃以上に水素消費が殆ど認められず、これは、0価金属までの還元による構造崩壊を殆ど生じていないことを示した。 FIG. 8 shows the results of H 2 -TPR analysis of Examples 1 and 9 to 13. As described above with respect to FIG. 1C, in Example 1, a hydrogen consumption peak was detected at 490° C., which was attributed to hydrogen consumption due to topotactic transition. As described above, in Example 1, hydrogen consumption due to the collapse of the oxide structure at 700° C. or higher was hardly observed, structural stability was enhanced, and oxygen desorption occurred from a low temperature of 490° C., resulting in excellent low-temperature operability. As shown in FIG. 8, the hydrogen consumption peaks of Examples 9 to 13 were observed at temperatures equal to or lower than those of Example 1, indicating that oxygen desorption occurs from a low temperature equal to or lower than those of Example 1. Furthermore, in Examples 9 to 13, almost no hydrogen consumption was observed at 600° C. or higher, which indicated that almost no structural collapse occurred due to reduction to zero-valent metal.
Claims (7)
RE(Fe1-aMa)3Sr3O10-δ (0)
(式中、REは、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd及びLaよりなる群から選択される1種以上であり、Mは、Mn、Ni及びCoよりなる群から選択される1種以上であり、aは0以上1未満の実数であり、δは0以上1未満の実数である。) An oxygen absorbing/releasing material comprising a Rudolfsden-Popper type layered perovskite complex oxide represented by the following formula (0):
RE(Fe 1-a M a ) 3 Sr 3 O 10-δ (0)
(In the formula, RE is one or more selected from the group consisting of Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, and La, M is one or more selected from the group consisting of Mn, Ni, and Co, a is a real number equal to or greater than 0 and less than 1, and δ is a real number equal to or greater than 0 and less than 1.)
La(Fe1-aMa)3Sr3O10-δ (1)
(式中、Mは、Mn、Ni及びCoよりなる群から選択される1種以上であり、aは0以上1未満の実数であり、δは0以上1未満の実数である。) An oxygen absorbing/releasing material comprising a Rudolfsden-Popper type layered perovskite complex oxide represented by the following formula (1):
La(Fe 1-a M a ) 3 Sr 3 O 10-δ (1)
(In the formula, M is one or more selected from the group consisting of Mn, Ni, and Co, a is a real number equal to or greater than 0 and less than 1, and δ is a real number equal to or greater than 0 and less than 1.)
3. An exhaust gas purifying catalyst comprising the oxygen absorbing material according to claim 1 or 2 and a precious metal supported on the oxygen absorbing material.
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