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JP5880412B2 - 触媒金属粒子の担持方法及び排ガス除去用触媒の製造方法 - Google Patents

触媒金属粒子の担持方法及び排ガス除去用触媒の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、排ガス除去用触媒の製造方法及びその製造方法により得られる触媒に関する。
自動車等の内燃機関から排出される排ガスには、一酸化炭素(CO)、窒素酸化物(NOx)、未燃の炭化水素(HC)等の有害ガスが含まれている。そのような有害ガスを分解する排ガス浄化用触媒(いわゆる三元触媒)には、ロジウムと比較して廉価であることから、一般的にパラジウム触媒が使用されている。しかしながら、パラジウム触媒は高活性のロジウム触媒と比較して、耐熱性が低い、NOx浄化能が低い等の問題があった。また貴金属であるパラジウム自体の使用量を低減させるためにも、パラジウム触媒の活性向上が必要とされている。
また、従来においては、ディーゼル向け又はリーンバーンエンジン向けの三元触媒が開発されてきたが、ガソリン自動車の制御はストイキ付近になるように制御されている。また、今後のガソリン自動車は燃費向上のため燃料カット(F/C)は増えるものと予想され、リーン雰囲気での性能向上はなお重要であると考えられる。よって、リーン雰囲気、ストイキ、リッチ雰囲気等様々な空燃比(A/F)の環境下で所望の活性を発揮することができる三元触媒が必要とされている。
特許文献1には、高分子キレート金属触媒の担持方法が記載されており、キレート化剤により、2種以上の触媒金属をキレート結合させて得られる複合金属コロイドを担体に担持する工程が記載されている。特許文献1には、ポリビニルピロリドン−白金/ロジウム複合コロイドを用いた触媒にバリウムを担持した場合にNOx吸蔵量が良好でないことから、特定のキレート化剤を用いることによりバリウムの分散性を向上させることが記載されている。
特許文献2には、貴金属担持基材が貴金属を担持して成る排ガス浄化用触媒が記載されている。また特許文献3には、多孔質担体と、該担体に担持されたパラジウム及びイリジウムとを含んでなり、パラジウムとイリジウムとは互いに合金化された状態で担持されていることを特徴とする排ガス浄化用触媒が記載されている。
しかしながら、特許文献2及び3のいずれにも2種の貴金属を含むコロイド溶液を同時に還元することにより触媒金属粒子を得ることは記載されていない。
また、従来の排ガス除去用触媒は、NOxの還元やHCの水蒸気改質等に特化されており、CO、NOx及びHCの全てに対する十分な浄化性能を期待することはできなかった。
よって、幅広い雰囲気に対応でき、さらに活性が向上されたパラジウム触媒を開発することが必要とされていた。
特開2000−279824号公報 特開2004−148166号公報 特開平8−294624号公報
本発明は、特に幅広い雰囲気下で、耐熱性及び浄化性能に優れる排ガス除去用触媒の製造方法、及びその製造方法により得られた触媒を提供することを目的とする。
本発明者らは、ポリビニルピロリドン等の存在下、イリジウム及びパラジウムを含む触媒金属コロイドを加熱還流させて両金属を同時に還元することにより、両金属が十分に合金化され、所望の活性を有する排ガス除去用触媒が得られることを見出し、本発明に至った。すなわち、本発明は以下の発明を包含する。
(1)(a)ポリビニルピロリドン、N−メチルピロリドン、N−ビニル−2−ピロリドン及びエチレングリコールから選択される少なくとも1種以上を含有する溶媒に、イリジウムの前駆体及びパラジウムの前駆体を添加する工程、
(b)得られた触媒金属コロイドに還元剤を添加する工程、
(c)得られた溶液を加熱還流させることにより触媒金属粒子を含む濃縮溶液を得る工程、及び
(d)触媒金属粒子を担体に担持する工程を含み、
触媒金属粒子中のイリジウムの含有量が、イリジウム及びパラジウムの総質量に対して3〜10質量%である、触媒金属粒子の担持方法。
(2)触媒金属粒子中のイリジウムの含有量が、イリジウム及びパラジウムの総質量に対して3〜7質量%である、上記(1)に記載の方法。
(3)上記(1)又は(2)に記載の方法により得られる、排ガス除去用触媒。
本発明の方法により、幅広い雰囲気下において耐熱性及び浄化性能に優れる排ガス浄化用触媒を得ることができる。
図1−1は、リッチ雰囲気、ストイキ雰囲気、リーン雰囲気における、耐久前の比較例1の触媒(質量比Pd:Ir=100:0)の温度特性試験の結果を示す図である。 図1−2は、リッチ雰囲気、ストイキ雰囲気、リーン雰囲気における、耐久前の比較例2の触媒(質量比Pd:Ir=0:100)の温度特性試験の結果を示す図である。 図2−1は、リッチ雰囲気、ストイキ雰囲気、リーン雰囲気における、耐久後の比較例1の触媒(質量比Pd:Ir=100:0)の温度特性試験の結果を示す図である。 図2−2は、リッチ雰囲気、ストイキ雰囲気、リーン雰囲気における、耐久後の比較例2の触媒(質量比Pd:Ir=0:100)の温度特性試験の結果を示す図である。 図3−1は、ストイキ雰囲気における、Air1100℃耐久後の触媒におけるイリジウムの添加割合と、浄化率及び浄化率50%のときの温度(T50温度)との関係を示す図である。 図3−2は、リーン雰囲気における、Air1100℃耐久後の触媒におけるイリジウムの添加割合と、浄化率及びT50温度との関係を示す図である。 図4は、イリジウムの添加割合と耐久(RL1100℃耐久及びAir1100℃耐久)前後のCO吸着量の比を示す図である。 図5−1は、リッチ雰囲気における、実施例3の触媒と比較例3の触媒の温度特性試験の結果を示す図である。 図5−2は、ストイキ雰囲気における、実施例3の触媒と比較例3の触媒の温度特性試験の結果を示す図である。 図5−3は、リーン雰囲気における、実施例3の触媒と比較例3の触媒の温度特性試験の結果を示す図である。 図6は、リーン雰囲気における、実施例3の触媒と比較例3の触媒の温度特性試験の結果を示す図である。
本発明の触媒金属粒子の担持方法(以下、本発明の方法ともいう)は、(a)ポリビニルピロリドン、N−メチルピロリドン、N−ビニル−2−ピロリドン及びエチレングリコールから選択される少なくとも1種以上を含有する溶媒に、イリジウムの前駆体及びパラジウムの前駆体を添加する工程、(b)得られた触媒金属コロイドに還元剤を添加する工程、(c)得られた溶液を加熱還流させることにより触媒金属粒子を含む濃縮溶液を得る工程、及び(d)触媒金属粒子を担体に担持する工程を含み、触媒金属粒子中のイリジウムの含有量が、イリジウム及びパラジウムの総質量に対して3〜10質量%であることを特徴とする。
本発明の方法は、工程(a)として、ポリビニルピロリドン、N−メチルピロリドン、N−ビニル−2−ピロリドン及びエチレングリコールから選択される少なくとも1種以上を含有する溶媒に、イリジウムの前駆体及びパラジウムの前駆体を添加する工程を含む。
工程(a)において、ポリビニルピロリドン、N−メチルピロリドン、N−ビニル−2−ピロリドン及びエチレングリコールは保護剤として使用され、これらを使用することにより、クラスター化した粒子を保護することができるため、パラジウムとイリジウムの反応性を向上させ、より合金化度を上げることができる。保護剤として使用される物質は、イリジウムの前駆体及びパラジウムの前駆体を添加した際に沈殿が生じないよう、イリジウムの前駆体及びパラジウムの前駆体のpHと近いものを使用することが好ましい。好ましくは、ポリビニルピロリドン、エチレングリコールを使用することができる。
工程(a)において使用することができる溶媒としては、水を挙げることができる。
工程(a)において、イリジウムの前駆体及びパラジウムの前駆体を同一の溶媒に添加して触媒金属コロイドを得、後の工程(c)において同時に還元処理を行う。イリジウムはパラジウムと比較して酸化物を生成しやすく、パラジウムより先に酸化されるため、パラジウムに対してイリジウムを組み合わせることにより、パラジウムの酸化を抑制することができる。イリジウムの前駆体及びパラジウムの前駆体は、イリジウム及びパラジウムの塩又は錯体が挙げられる。イリジウムの塩又は錯体としては、硝酸イリジウム、酢酸イリジウム、塩化イリジウム等を挙げることができる。パラジウムの塩又は錯体としては、塩化パラジウム、酢酸パラジウム、硝酸パラジウム等を挙げることができる。
本発明の方法は、工程(b)として、工程(a)により得られた触媒金属コロイドに還元剤を添加する工程を含む。
工程(b)において使用される還元剤としては、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール等を挙げることができ、エタノールを使用することが好ましい。
本発明の方法は、工程(c)として、得られた溶液を加熱還流させることにより触媒金属粒子を含む濃縮溶液を得る工程を含む。パラジウム/イリジウム複合金属コロイドを同時に加熱還流することにより、触媒粒子どうしが凝集し粗粒化すること(シンタリング)が抑制され、パラジウムとイリジウムを原子レベルで近接配置させることが可能となる。その結果、パラジウムの活性を維持することができ、浄化率が向上すると考えられる。
得られる触媒金属粒子中のイリジウムの含有量は、イリジウム及びパラジウムの総質量に対して3〜10質量%であることが好ましく、3〜7質量%であることが特に好ましい。上記範囲に示されるような少量のイリジウムを添加して金属コロイド担持法により担持することにより、イリジウムをナノクラスター化して熱拡散させ、パラジウムと緊密に合金化させることができる。そして緊密に合金化させることにより、浄化能を向上させることができる。
本発明の方法は、工程(d)として、触媒金属粒子を担体に担持する工程を含む。工程(d)において使用される担体としては、アルミナ、シリカ、シリカアルミナ、ゼオライト、モルデナイト、チタニア、セリア、ジルコニア、セリア−ジルコニア複合酸化物(CZ又はZC)等を挙げることができ、アルミナ、セリア−ジルコニア複合酸化物(CZ又はZC)を使用することが好ましい。ここで、CZはCeリッチ複合酸化物を意味し、ZCはZrリッチ複合酸化物を意味する。
工程(d)において、後処理として、常圧又は減圧下における生成物の乾燥処理を行ってもよい。また、触媒粒子の合金化を促進するために、工程(b)の後に、担体上に形成された触媒粒子を200〜1000℃、好ましくは400〜800℃で焼成する工程をさらに含んでもよい。
本発明は、本発明の方法により得られる触媒(以下、本発明の触媒ともいう)にも関する。本発明の触媒は、イリジウムの酸化物及びパラジウムの酸化物を含む触媒金属粒子、及びこれを担持する担体を含み、触媒金属粒子中のイリジウムの含有量は、イリジウム及びパラジウムの総質量に対して3〜10質量%であり、3〜7質量%であることが好ましい。尚、上記含有量は触媒原料に基づき算出したものである。実際に得られる触媒においては、触媒金属粒子中のイリジウムの含有量は、イリジウム及びパラジウムの総質量に対して3〜15質量%であり、3〜11質量%であることが好ましい。
以下、本発明を実施例により説明するが、本発明は実施例の範囲に限定されない。
本実施例においてリッチ雰囲気、ストイキ雰囲気及びリーン雰囲気の気体は以下の組成を有する。
リーン:14.7(CO)、0.72(O)、0.19(C)、0.17(CO)、0.35(NO)、3(HO)
ストイキ:14.8(CO)、0.35(O)、0.29(C)、0.47(CO)、0.33(NO)、3(HO)
リッチ:14.2(CO)、0.26(O)、0.45(C)、1.3(CO)、0.3(NO)、3(HO)
[実施例1]
純水にポリビニルピロリドンを加え、これに塩化パラジウム及び硝酸イリジウムをPdとIrとの質量比が97:3となるよう添加して混合し(両金属の濃度の和が0.5質量%)、さらに、エタノール375mLを加えて約50℃で30分撹拌した。その後、約90℃で約3時間還流してエタノール還元を行った。得られた濃縮薬液を適量取り、アルミナ100%の担体に担持した。
乾燥後、得られた粉末を500℃の電気炉で2時間焼成してペレットとすることにより触媒を得た。
[実施例2]
塩化パラジウム及び硝酸イリジウムをPdとIrとの質量比が93:7となるように添加した以外は実施例1と同様にして触媒を得た。
[実施例3]
塩化パラジウム及び硝酸イリジウムをPdとIrとの質量比が90:10となるように添加した以外は実施例1と同様にして触媒を得た。
[比較例1]
硝酸イリジウムを使用せず、塩化パラジウム添加後のパラジウムの濃度を0.5質量%としたこと以外は実施例1と同様にして触媒を得た。
[比較例2]
塩化パラジウムを使用せず、硝酸イリジウム添加後のイリジウムの濃度を0.25質量%としたこと以外は実施例1と同様にして触媒を得た。
[比較例3]
純水に塩化パラジウムを添加して混合し(パラジウム濃度0.5質量%)、さらに、エタノール375mLを加えて約50℃で30分撹拌した。その後、約90℃で約3時間還流してエタノール還元を行った。
一方、純水にポリビニルピロリドンを加え、これに硝酸イリジウムを添加して混合し(イリジウム濃度0.25質量%)、さらに、エタノール187.5mLを加えて約50℃で30分撹拌した。その後、約90℃で約3時間還流してエタノール還元を行った。
得られた溶液をPdとIrとの質量比が90:10となるように混合して濃縮薬液を得た。得られた濃縮薬液を適量取り、アルミナ100%の担体に担持した。
乾燥後、得られた粉末を500℃の電気炉で2時間焼成してペレットとすることにより触媒を得た。
得られた実施例1−3及び比較例1−3の触媒について、各試験を行った。
1.耐久試験
(1)RL(Rich/Lean)1100℃耐久試験
RL1100℃耐久試験は、各触媒6gを秤量し、1100℃で保持しながらリッチ雰囲気とリーン雰囲気を5分間サイクルで5時間、交互に繰り返し流すことにより行った。
(2)Air1100℃耐久試験
Air1100℃耐久試験は、各触媒6gを秤量し、1100℃で保持しながら空気を5時間流すことにより行った。
2.温度特性試験
耐久試験前及び耐久試験後の触媒をリッチ雰囲気、ストイキ雰囲気又はリーン雰囲気(流量10L)において、THC(全炭化水素)、CO及びNOx浄化率並びにT50温度について温度特性試験を行った。
3.CO吸着量
RL1100℃耐久試験前後又はAir1100℃耐久試験前後の各触媒について、COパルスによるCO吸着量測定を行った。
4.触媒の物性測定
有機分析による貴金属比率の分析は、各触媒約0.1gを秤量し、過酸化ナトリウム水溶液に溶解した後、水を加えて200mlにメスアップして得られたサンプルについて、誘導結合プラズマ(Inductively Coupled Plasma:ICP)を用いて行った。結果を以下に示す。尚、各触媒は耐久前のものを使用した。
実施例1 質量比で95:5
実施例2 質量比で90:10
実施例3 質量比で87:13
図1に、各雰囲気における、耐久前の比較例1の触媒(質量比Pd:Ir=100:0)と耐久前の比較例2の触媒(質量比Pd:Ir=0:100)の温度特性試験の結果を示す。耐久前の比較例2の触媒については、リッチ雰囲気、ストイキ雰囲気及びリーン雰囲気において60%以上の浄化率を示した(リッチ雰囲気におけるCO浄化率とリーン雰囲気におけるNOx浄化率を除く)。一方、耐久前の比較例1の触媒については、用いたIr濃度が比較例2のPd濃度の半分であるために、浄化率は50%程度であったが、比較例2の触媒と比較して、特にリーン雰囲気下においてより低温から浄化活性が生じることがわかる。このことから、Pdを主触媒としてIrを適宜添加することにより、浄化活性の高い触媒が得られることが示唆された。
図2に、各雰囲気における、耐久後の比較例1の触媒(質量比Pd:Ir=100:0)と耐久後の比較例2の触媒(質量比Pd:Ir=0:100)の温度特性試験の結果を示す。図2より、RL1100℃耐久後の比較例2の触媒と比較例1の触媒の浄化率の温度特性の傾向は、図1に示される耐久前のものとほぼ同様であった。特に、リッチ雰囲気において、比較例1の触媒は顕著に高いNOx浄化能を示した。このことから、Pdを主触媒としてIrを適宜添加することにより、浄化活性の高い触媒が得られることが示唆された。
図3は、Air1100℃耐久後の触媒におけるイリジウムの添加割合と、浄化率及び浄化率50%のときの温度(T50温度)との関係を示す図である。図3より、Air1100℃耐久試験後において、PdにさらにIrを添加した実施例1−3の触媒は、Pdのみが担持された比較例1の触媒と比較して、浄化性能に優れることがわかった。特にリーン雰囲気下においては、T50温度が約40℃低下し、Ir添加による効果が顕著に現れた。また実施例1の触媒(Pd:It=97:3)は、ストイキ雰囲気下におけるNOx浄化率が、比較例1の触媒に対して約15%も向上した。
一方、RL1100℃耐久後においては、PdにさらにIrを添加した実施例1−3の触媒は、Pdのみが担持された比較例1の触媒と比較してほぼ同等の浄化性能を有していた(図示せず)。
図4に、イリジウムの添加割合と耐久(RL1100℃耐久及びAir1100℃耐久)前後のCO吸着量の比を示す。図4より、Air1100℃耐久後及びRL1100℃耐久後の両方において、PdにさらにIrを添加した実施例1−3の触媒は、Pdのみが担持された比較例1の触媒と比較して、耐久後にCO吸着量が増加した。このことは、Irを添加した実施例1−3の触媒にはより多くの吸着サイトが残存することを示す。特にAir1100℃耐久後はCO吸着量が大幅に増加した。これはPd(融点約1800℃)に対して、融点の高いIr(融点約2500℃)が合金化したことにより、触媒粒子の肥大化が抑制されたためと考えられる。特にIrは分子量がPdの約2倍であり、同じ質量%では活性点が減っているはずであるから、その点を考慮するとIrの添加は予想を超える浄化能の向上をもたらすことが示唆される。
図5に、各雰囲気における、PdとIrを同時にエタノール還元した実施例3の触媒と別々に還元した比較例3の触媒の温度特性試験の結果を示す。実施例3の触媒と比較例3の触媒とを比較すると、実施例3の触媒を用いた場合に、リッチ雰囲気、ストイキ雰囲気及びリーン雰囲気において全体的に浄化性能が向上した。特に、リッチ雰囲気及びストイキ雰囲気では、NOx浄化能が10%〜20%向上した。またリーン雰囲気においてもより低温度から浄化性能が発揮されることがわかった(特に図6参照)。よって、PdとIrを同時にエタノール還元することにより(バイメタリック化)、幅広い雰囲気下において浄化性能が向上することがわかった。
本発明の方法により得られる触媒は、排ガス除去、特に自動車の排ガス除去に好ましく適用できる。

Claims (4)

  1. (a)ポリビニルピロリドン、N−メチルピロリドン及びN−ビニル−2−ピロリドンから選択される少なくとも1種以上を含有する溶媒に、イリジウムの前駆体及びパラジウムの前駆体を添加する工程、
    (b)得られた触媒金属コロイドに還元剤を添加する工程、
    (c)得られた溶液を加熱還流させることにより触媒金属粒子を含む濃縮溶液を得る工程、及び
    (d)触媒金属粒子を担体に担持する工程を含み、
    触媒金属粒子中のイリジウムの含有量が、イリジウム及びパラジウムの総質量に対して3〜10質量%である、触媒金属粒子の担持方法。
  2. 触媒金属粒子中のイリジウムの含有量が、イリジウム及びパラジウムの総質量に対して3〜7質量%である、請求項1に記載の方法。
  3. (a)ポリビニルピロリドン、N−メチルピロリドン及びN−ビニル−2−ピロリドンから選択される少なくとも1種以上を含有する溶媒に、イリジウムの前駆体及びパラジウムの前駆体を添加する工程、
    (b)得られた触媒金属コロイドに還元剤を添加する工程、
    (c)得られた溶液を加熱還流させることにより触媒金属粒子を含む濃縮溶液を得る工程、及び
    (d)触媒金属粒子を担体に担持する工程を含み、
    触媒金属粒子中のイリジウムの含有量が、イリジウム及びパラジウムの総質量に対して3〜10質量%である、排ガス除去用触媒の製造方法
  4. 触媒金属粒子中のイリジウムの含有量が、イリジウム及びパラジウムの総質量に対して3〜7質量%である、請求項3に記載の排ガス除去用触媒の製造方法。
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