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JP7601824B2 - Oxygen storage material and method for producing same - Google Patents

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JP7601824B2
JP7601824B2 JP2022050279A JP2022050279A JP7601824B2 JP 7601824 B2 JP7601824 B2 JP 7601824B2 JP 2022050279 A JP2022050279 A JP 2022050279A JP 2022050279 A JP2022050279 A JP 2022050279A JP 7601824 B2 JP7601824 B2 JP 7601824B2
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ceria
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美穂 畑中
正興 岩崎
雅也 鎌田
真秀 三浦
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Description

本発明は、パイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物を含有する酸素貯蔵材料及びその製造方法に関する。 The present invention relates to an oxygen storage material containing a pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide and a method for producing the same.

自動車エンジン等の内燃機関から排出される排ガス中の一酸化炭素(CO)及び炭化水素(HC)を酸化すると同時に、窒素酸化物(NOx)を還元できる排ガス浄化触媒としていわゆる三元触媒が知られている。 So-called three-way catalysts are known as exhaust gas purification catalysts that can oxidize carbon monoxide (CO) and hydrocarbons (HC) in the exhaust gas emitted from internal combustion engines such as automobile engines, while simultaneously reducing nitrogen oxides (NOx).

そして、排ガス浄化触媒を用いて排ガスを浄化するにあたって、排ガス中の酸素濃度の変動を吸収して排ガス浄化能力を高めるために、排ガス中の酸素濃度が高いときに酸素を吸蔵でき、排ガス中の酸素濃度が低いときに酸素を放出できる酸素貯蔵能(Oxygen Storage Capacity(OSC))を有する材料を、排ガス浄化触媒の担体や助触媒として用いることが知られている。 When purifying exhaust gas using an exhaust gas purification catalyst, in order to absorb fluctuations in the oxygen concentration in the exhaust gas and increase the exhaust gas purification capacity, it is known to use a material with oxygen storage capacity (Oxygen Storage Capacity (OSC)) that can store oxygen when the oxygen concentration in the exhaust gas is high and release oxygen when the oxygen concentration in the exhaust gas is low as a support or co-catalyst for the exhaust gas purification catalyst.

このようなOSCを有する酸素貯蔵材料としては、従来からセリアが好適に用いられており、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、いわゆる共沈法、逆共沈法、水熱合成法、熔融法、固相法等によって得られる種々のセリア-ジルコニア系複合酸化物が開発されている。 Ceria has traditionally been used as an oxygen storage material with such an OSC, and in recent years, various types of composite oxides containing ceria have been researched, and various ceria-zirconia composite oxides have been developed that can be obtained by the so-called coprecipitation method, reverse coprecipitation method, hydrothermal synthesis method, melting method, solid phase method, etc.

例えば、特開2015-182931号公報(特許文献1)には、セリウムとジルコニウムとこれら以外の鉄、マンガン、コバルト、ニッケル、銅等の遷移金属元素とを含み、結晶構造としてパイロクロア相を含むセリア-ジルコニア系複合酸化物をいわゆる熔融法により製造する方法が開示されている。 For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2015-182931 (Patent Document 1) discloses a method for producing a ceria-zirconia composite oxide that contains cerium, zirconium, and other transition metal elements such as iron, manganese, cobalt, nickel, and copper, and has a pyrochlore phase as a crystal structure, by a so-called melting method.

また、特開2015-080736号公報(特許文献2)には、セリア-ジルコニア複合酸化物に鉄を添加してなる酸素吸放出材であって、前記セリア-ジルコニア複合酸化物がパイロクロア相、κ相又はそれらの組み合わせを有しかつ貴金属を含有せず、前記鉄が該セリア-ジルコニア複合酸化物中のセリウムサイト及び/又はジルコニウムサイトに少なくとも部分的に置換してなる酸素吸放出材をいわゆる共沈法及び還元雰囲気での高温処理(共沈法-高温還元処理)により製造する方法が開示されている。 In addition, Japanese Patent Laid-Open Publication No. 2015-080736 (Patent Document 2) discloses a method for producing an oxygen absorbing/releasing material by adding iron to a ceria-zirconia composite oxide, the ceria-zirconia composite oxide having a pyrochlore phase, a κ phase, or a combination thereof, containing no precious metals, and in which the iron is at least partially substituted for the cerium sites and/or zirconium sites in the ceria-zirconia composite oxide, by a so-called coprecipitation method and high-temperature treatment in a reducing atmosphere (coprecipitation method-high-temperature reduction treatment).

さらに、特開2019-131455号公報(特許文献3)には、セリウム、ジルコニウム及び鉄を含むセリア-ジルコニア-酸化鉄系複合酸化物からなる酸素吸放出材であって、前記セリウムと前記ジルコニウムとの複合酸化物に前記鉄の少なくとも一部が固溶しており、前記セリア-ジルコニア-酸化鉄系複合酸化物がカチオン秩序構造を有する酸素吸放出材をいわゆる溶液燃焼合成法により製造する方法が開示されている。 Furthermore, Japanese Patent Laid-Open Publication No. 2019-131455 (Patent Document 3) discloses a method for producing an oxygen absorbing/releasing material made of a ceria-zirconia-iron oxide-based composite oxide containing cerium, zirconium, and iron, in which at least a portion of the iron is dissolved in the composite oxide of the cerium and the zirconium, and the ceria-zirconia-iron oxide-based composite oxide has a cation-ordered structure, by a so-called solution combustion synthesis method.

しかしながら、近年は、排ガス浄化用触媒に対する要求特性が益々高まっており、使用初期だけでなく、1100℃程度という高温の排ガスに長時間曝された後においても、約250℃という低温において優れた酸素貯蔵能(OSC)を発現することができ、利用効率が高い酸素貯蔵材料が求められるようになっており、特許文献1~3に記載のような従来の酸素貯蔵材料では必ずしも十分なものではなかった。 However, in recent years, the required characteristics for exhaust gas purification catalysts have been increasing, and there is a demand for oxygen storage materials with high utilization efficiency that can exhibit excellent oxygen storage capacity (OSC) at low temperatures of about 250°C, not only at the beginning of use but also after long-term exposure to high-temperature exhaust gases of about 1100°C. Conventional oxygen storage materials such as those described in Patent Documents 1 to 3 have not necessarily been sufficient.

特開2015-182931号公報JP 2015-182931 A 特開2015-080736号公報JP 2015-080736 A 特開2019-131455号公報JP 2019-131455 A

本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、使用初期だけでなく、1100℃程度という高温の排ガスに長時間曝された後においても、約250℃という低温において優れた酸素貯蔵能(OSC)を発現することができ、利用効率が高い酸素貯蔵材料、及びその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the problems with the above-mentioned conventional technology, and aims to provide an oxygen storage material with high utilization efficiency that can exhibit excellent oxygen storage capacity (OSC) at a low temperature of about 250°C, not only in the initial stage of use but also after prolonged exposure to high-temperature exhaust gases of about 1100°C, and a method for producing the same.

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、セリア-ジルコニア系複合酸化物に添加する元素としてスズ、スカンジウム又はマグネシウム(以下、これらを「添加金属元素」という)を選択し、かつ、セリウムとジルコニウムと前記添加金属元素との含有比率を所定の範囲内に調整した前記添加金属元素含有セリア-ジルコニア固溶体粉末を所定の圧力で加圧成形した後に所定の高温条件で還元処理し、さらに酸化処理することにより、1100℃程度という高温の排ガスに曝される前及び長時間曝された後のいずれにおいても、セリア-ジルコニア系複合酸化物に前記添加金属元素が十分に固溶した前記添加金属元素含有セリア-ジルコニア系複合酸化物が得られ、この添加金属元素含有セリア-ジルコニア系複合酸化物が、使用初期だけでなく、1100℃程度という高温の排ガスに長時間曝された後においても、約250℃という低温において優れた酸素貯蔵能(OSC)を発現することができ、酸素貯蔵材料としての利用効率が高いものであることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive research conducted by the inventors to achieve the above object, the inventors have found that by selecting tin, scandium or magnesium (hereinafter, these will be referred to as "additive metal elements") as an element to be added to a ceria-zirconia composite oxide, and adjusting the content ratio of cerium, zirconium and the added metal element within a predetermined range, and then compressing and molding the added metal element-containing ceria-zirconia solid solution powder at a predetermined pressure, reducing the powder under a predetermined high-temperature condition, and then oxidizing the powder, a ceria-zirconia composite oxide containing the added metal element is obtained in which the added metal element is sufficiently dissolved in the ceria-zirconia composite oxide both before and after exposure to high-temperature exhaust gas of about 1100°C for a long period of time, and that the added metal element-containing ceria-zirconia composite oxide exhibits excellent oxygen storage capacity (OSC) at a low temperature of about 250°C not only at the beginning of use, but also after exposure to high-temperature exhaust gas of about 1100°C for a long period of time, and has high utilization efficiency as an oxygen storage material, thereby completing the present invention.

すなわち、本発明の酸素貯蔵材料は、パイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物と前記セリア-ジルコニア系複合酸化物に添加されたスズ及びスカンジウムからなる群から選択される少なくとも1種の添加金属元素とを含有する酸素貯蔵材料であって、
セリウム(Ce)とジルコニウム(Zr)との合計量に対する前記添加金属元素(M)の含有比率(M/(Ce+Zr)×100)が0.4~5.5at%であり、
セリウム(Ce)とジルコニウム(Zr)との総モル数に対するジルコニウムのモル分率(X=Zr/(Ce+Zr)×100)がX=44.5~49.9%であり、
大気中、1100℃で加熱する前及び5時間加熱した後の、CuKαを用いたX線回折測定により得られるX線回折パターンから求められる格子定数が下記式(1):
格子定数≦-9.69×10-3X+11.009 (1)
(前記式中、Xは前記ジルコニウムのモル分率を表す)
で表される条件を満たすものであり、
大気中、1100℃で加熱する前及び5時間加熱した後の、CuKαを用いたX線回折測定により得られるX線回折パターンから求められる2θ=14.5°付近の回折線と2θ=29°付近の回折線と強度比〔I(14/29)値〕が下記式(2):
I(14/29)値≦5.15×10-3X-0.196 (2)
(前記式中、Xは前記ジルコニウムのモル分率を表す)
で表される条件を満たすものであることを特徴とするものである。
That is, the oxygen storage material of the present invention is an oxygen storage material containing a pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide and at least one additive metal element selected from the group consisting of tin and scandium added to the ceria-zirconia composite oxide,
The content ratio (M/(Ce+Zr)×100) of the added metal element (M) relative to the total amount of cerium (Ce) and zirconium (Zr) is 0.4 to 5.5 at %,
The mole fraction of zirconium relative to the total mole number of cerium (Ce) and zirconium (Zr) (X=Zr/(Ce+Zr)×100) is X=44.5% to 49.9%;
Before and after heating at 1100° C. in air for 5 hours, the lattice constant calculated from the X-ray diffraction pattern obtained by X-ray diffraction measurement using CuKα is expressed by the following formula (1):
Lattice constant ≦-9.69×10-3X+11.009 (1)
(wherein X represents the mole fraction of zirconium)
The condition expressed by
The intensity ratio [I(14/29) value] of the diffraction line near 2θ=14.5° to the diffraction line near 2θ=29° obtained from the X-ray diffraction pattern obtained by X-ray diffraction measurement using CuKα before and after heating at 1100° C. in air is expressed by the following formula (2):
I(14/29) value≦5.15×10−3X−0.196 (2)
(wherein X represents the mole fraction of zirconium)
The present invention is characterized in that it satisfies the condition expressed by the following formula (1).

本発明の酸素貯蔵材料においては、前記ジルコニウムのモル分率XがX=47.0~49.9%であることが好ましい。 In the oxygen storage material of the present invention, it is preferable that the zirconium mole fraction X is X = 47.0 to 49.9%.

また、本発明の酸素貯蔵材料の製造方法は、パイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物と前記セリア-ジルコニア系複合酸化物に添加されたスズ、スカンジウム及びマグネシウムからなる群から選択される少なくとも1種の添加金属元素とを含有する酸素貯蔵材料の製造方法であって、
セリウム(Ce)とジルコニウム(Zr)との合計量に対する前記添加金属元素(M)の含有比率(M/(Ce+Zr)×100)が0.4~5.5at%であり、セリウム(Ce)とジルコニウム(Zr)との総モル数に対するジルコニウムのモル分率(Zr/(Ce+Zr)×100)が44.5~49.9%である前記添加金属元素を含有するセリア-ジルコニア系固溶体粉末を準備する工程と、
前記添加金属元素を含有するセリア-ジルコニア系固溶体粉末を30~350MPaの圧力で加圧成形した後、1400~2000℃の温度条件で還元処理し、さらに酸化処理して請求項1又は2に記載のパイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物と前記セリア-ジルコニア系複合酸化物に添加された前記添加金属元素とを含有する酸素貯蔵材料を得る工程と、
を含むことを特徴とする方法である。
The present invention also provides a method for producing an oxygen storage material comprising a pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide and at least one additive metal element selected from the group consisting of tin, scandium, and magnesium added to the ceria-zirconia composite oxide, the method comprising the steps of:
A step of preparing a ceria-zirconia solid solution powder containing the additive metal element (M), in which the content ratio (M/(Ce+Zr)×100) of the additive metal element (M) relative to the total amount of cerium (Ce) and zirconium (Zr) is 0.4 to 5.5 at %, and the molar fraction (Zr/(Ce+Zr)×100) of zirconium relative to the total number of moles of cerium (Ce) and zirconium (Zr) is 44.5 to 49.9%;
a step of compressing and molding the ceria-zirconia solid solution powder containing the additive metal element at a pressure of 30 to 350 MPa, reducing the powder at a temperature of 1400 to 2000° C., and then oxidizing the powder to obtain an oxygen storage material containing the pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide according to claim 1 or 2 and the additive metal element added to the ceria-zirconia composite oxide;
The method is characterized by comprising:

本発明の酸素貯蔵材料の製造方法においては、前記添加金属元素含有セリア-ジルコニア系固溶体粉末における前記ジルコニウムのモル分率(Zr/(Ce+Zr)×100)が47.0~49.9%であることが好ましい。 In the method for producing an oxygen storage material of the present invention, it is preferable that the molar fraction of zirconium in the ceria-zirconia solid solution powder containing the added metal element (Zr/(Ce+Zr)×100) is 47.0 to 49.9%.

なお、本発明において、前記式(1)で表される条件を満たす前記添加金属元素含有パイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物が、前記添加金属元素が十分に固溶しているものであると判断できる理由を以下に説明する。すなわち、前記添加金属元素を含有していないパイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物において、格子定数はジルコニウムのモル分率Xに対して負の相関を示す。これは、パイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物において、ジルコニウムのモル分率Xが増加する、すなわち、イオン半径が大きいCe4+(イオン半径:0.97Å(8配位))に対してイオン半径が小さいZr4+(イオン半径:0.84Å(8配位))の割合が多くなると、結晶格子中のすべての陽イオンの平均イオン半径が小さくなり、格子が収縮するためと考えられる。 In the present invention, the reason why the pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide containing the additive metal element, which satisfies the condition represented by the formula (1), can be judged to be one in which the additive metal element is sufficiently dissolved, will be explained below. That is, in a pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide not containing the additive metal element, the lattice constant shows a negative correlation with the mole fraction X of zirconium. This is thought to be because, in a pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide, when the mole fraction X of zirconium increases, that is, when the ratio of Zr 4+ (ionic radius: 0.84 Å (8 coordination)), which has a small ionic radius, increases relative to Ce 4+ (ionic radius: 0.97 Å (8 coordination)), which has a large ionic radius, the average ionic radius of all cations in the crystal lattice becomes smaller, and the lattice shrinks.

そして、前記添加金属元素を含有していないパイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物にイオン半径がZr4+よりも小さいSn4+(イオン半径:0.81Å)を固溶させると、結晶格子中のすべての陽イオンの平均イオン半径が小さくなり、ジルコニウムのモル分率Xが同じであっても前記添加金属元素が含まれていない場合に比べて格子が更に収縮するため、格子定数が小さくなる。 Furthermore, when Sn 4+ (ionic radius: 0.81 Å), which has an ionic radius smaller than that of Zr 4+ , is dissolved in a pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide that does not contain the added metal element, the average ionic radius of all cations in the crystal lattice becomes smaller, and the lattice contracts further compared to a case in which the added metal element is not contained, even if the zirconium mole fraction X is the same, resulting in a smaller lattice constant.

一方、前記添加金属元素を含有していないパイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物に、Zr4+よりもイオン半径が大きい金属イオンを固溶させると、結晶格子中のすべての陽イオンの平均イオン半径が大きくなるため、格子が膨張する。また、Zr4+よりもイオンの価数が小さい金属イオンを固溶させると、電荷補償に伴う酸素欠陥が生成するため、格子が収縮する。したがって、Zr4+よりもイオン半径が大きく、かつ、イオンの価数が小さい金属イオンを固溶させると、イオン半径の増大による格子膨張効果と酸素欠陥の生成による格子収縮効果とが競合する。前記金属イオンとして、Zr4+よりもイオン半径が大きく、かつ、イオンの価数が小さいSc3+(イオン半径0.87Å)やMg2+(イオン半径0.89Å)を固溶させた場合には、酸化物イオンのイオン半径(1.38Å)がZrサイトのイオン半径に比べて十分に大きいため、格子に与える影響は、固溶させた金属イオンによるイオン半径の増大よりも酸素欠陥の生成の方が大きくなり、前記金属イオンの固溶が進行するにつれて、格子定数が小さくなる傾向にある。 On the other hand, when a metal ion having an ionic radius larger than Zr4 + is dissolved in a pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide that does not contain the added metal element, the average ionic radius of all cations in the crystal lattice becomes larger, causing the lattice to expand. Furthermore, when a metal ion having a smaller valence than Zr4 + is dissolved in the solid solution, oxygen defects associated with charge compensation are generated, causing the lattice to shrink. Therefore, when a metal ion having an ionic radius larger than Zr4 + and a smaller valence than Zr4+ is dissolved in the solid solution, the lattice expansion effect due to the increase in ionic radius and the lattice contraction effect due to the generation of oxygen defects compete with each other. When Sc 3+ (ionic radius 0.87 Å) or Mg 2+ (ionic radius 0.89 Å), which has a larger ionic radius than Zr 4+ and a smaller ionic valence, is dissolved as the metal ion, the ionic radius of the oxide ion (1.38 Å) is sufficiently larger than the ionic radius of the Zr site. Therefore, the effect on the lattice is greater due to the generation of oxygen defects than the increase in the ionic radius due to the dissolved metal ion, and the lattice constant tends to decrease as the dissolution of the metal ion progresses.

したがって、本発明において、下記式(1a):
格子定数(Y1)=-9.69×10-3X+11.009 (1a)
で表される直線が、パイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物に、添加金属元素が十分に固溶している状態と添加金属元素が十分に固溶していない状態との境界を表していると考えると、実測した格子定数が前記格子定数(Y1)以下の場合、すなわち、前記式(1)で表される条件を満たす場合には、前記添加金属元素が十分に固溶している状態であり、前記格子定数(Y1)を超える場合、すなわち、前記式(1)で表される条件を満たさない場合には、添加金属元素が十分に固溶していない状態であると判断することができる。なお、格子定数は、X線回折測定により得られるX線回折パターンに対して、フリーの解析ソフト(例えば、リートベルト解析ソフト「Jana2006」)を用いて最小二乗法によるフィッティングを行い、格子定数を精密化することによって求めることができる。また、前記X線回折測定の方法としては、X線回折装置(例えば、株式会社リガク製「RINT-Ultima」)を用いて、CuKα線をX線源として、管電圧40KV、管電流40mA、走査速度2θ=10°/minの条件で測定する方法を採用する。
Therefore, in the present invention, the following formula (1a):
Lattice constant (Y1) = -9.69 x 10 -3 X + 11.009 (1a)
If the straight line represented by the formula (1) represents the boundary between a state in which the added metal element is sufficiently dissolved in the pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide and a state in which the added metal element is not sufficiently dissolved in the pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide, it can be determined that the added metal element is sufficiently dissolved in the pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide when the measured lattice constant is equal to or less than the lattice constant (Y1), i.e., when the condition represented by the formula (1) is satisfied, the added metal element is sufficiently dissolved in the pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide, and that the added metal element is not sufficiently dissolved in the pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide when the measured lattice constant is greater than the lattice constant (Y1), i.e., when the condition represented by the formula (1) is not satisfied, the added metal element is not sufficiently dissolved in the pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide. The lattice constant can be determined by fitting the X-ray diffraction pattern obtained by X-ray diffraction measurement using a least squares method using free analysis software (for example, Rietveld analysis software "Jana 2006") to refine the lattice constant. The X-ray diffraction measurement method employs an X-ray diffraction device (for example, "RINT-Ultima" manufactured by Rigaku Corporation) using CuKα radiation as an X-ray source under conditions of a tube voltage of 40 KV, a tube current of 40 mA, and a scanning speed of 2θ=10°/min.

また、本発明において、前記式(2)で表される条件を満たす前記添加金属元素含有パイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物が、前記添加金属元素が十分に固溶しているものであると判断できる理由を以下に説明する。すなわち、前記添加金属元素を含有していないパイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物において、I(14/29)値はジルコニウムのモル分率Xに対して正の相関を示す。これは、パイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物のI(14/29)値が結晶格子中のCeサイトとZrサイトとのイオン半径差で決まり、この差が小さいほどI(14/29)値が小さくなることから、ジルコニウムのモル分率Xが減少する、すなわち、Zr4+に対してCe4+の割合が多くなると、イオン半径が小さいZrサイトの一部をCe4+が占有し、CeサイトとZrサイトとのイオン半径差が小さくなるためと考えられる。 In addition, in the present invention, the reason why the pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide containing the additive metal element, which satisfies the condition represented by the formula (2), can be judged to be one in which the additive metal element is sufficiently dissolved in solid solution, will be explained below. That is, in a pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide not containing the additive metal element, the I(14/29) value shows a positive correlation with the mole fraction X of zirconium. This is because the I(14/29) value of the pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide is determined by the difference in ionic radius between the Ce site and the Zr site in the crystal lattice, and the smaller this difference is, the smaller the I(14/29) value is. Therefore, when the ratio of Ce 4+ to Zr 4+ increases, Ce 4+ occupies a part of the Zr site, which has a small ionic radius, and the difference in ionic radius between the Ce site and the Zr site is reduced.

そして、前記添加金属元素を含有していないパイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物にSn4+を固溶させると、Sn4+のイオン半径がZr4+よりも小さいため、Zrサイトのイオン半径が減少し、CeサイトとZrサイトとのイオン半径差が大きくなり、I(14/29)値が大きくなると考えられる。ただし、Sn4+の固溶量が微量の場合には、CeサイトとZrサイトとのイオン半径差の変化が僅かであるため、I(14/29)値もほとんど変化しないと考えられる。 It is believed that when Sn4 + is dissolved in a pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide that does not contain the added metal element, the ionic radius of the Zr site decreases and the difference in ionic radius between the Ce site and the Zr site increases because the ionic radius of Sn4 + is smaller than that of Zr4 + , resulting in a large I(14/29) value. However, when the amount of dissolved Sn4 + is small, the change in the difference in ionic radius between the Ce site and the Zr site is small, and therefore the I(14/29) value is thought to change very little.

一方、前記添加金属元素を含有していないパイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物に、Zr4+よりもイオン半径が大きいSc3+又はMg2+を固溶させると、CeサイトとZrサイトとのイオン半径差が小さくなるため、I(14/29)値が小さくなる。 On the other hand, when Sc 3+ or Mg 2+ , which has an ionic radius larger than that of Zr 4+, is dissolved in a pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide that does not contain the added metal element, the difference in ionic radius between the Ce site and the Zr site becomes small, and the I(14/29) value becomes small.

したがって、本発明において、下記式(2a):
I(14/29)値(Y2)=5.15×10-3X-0.196 (2a)
で表される直線が、パイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物に、添加金属元素が十分に固溶している状態と添加金属元素が十分に固溶していない状態との境界を表していると考えると、実測したI(14/29)値が前記I(14/29)値(Y2)以下の場合、すなわち、前記式(2)で表される条件を満たす場合には、前記添加金属元素が十分に固溶している状態であり、前記格子定数(Y2)を超える場合、すなわち、前記式(2)で表される条件を満たさない場合には、添加金属元素が十分に固溶していない状態であると判断することができる。なお、I(14/29)値は、X線回折測定により得られるX線回折パターンにおける、2θ=14.5°の回折線のピーク強度I(14)と2θ=29°の回折線のピーク強度I(29)とから求めることができる。また、前記X線回折測定の方法としては、X線回折装置(例えば、株式会社リガク製「RINT-Ultima」)を用いて、CuKα線をX線源として、管電圧40KV、管電流40mA、走査速度2θ=10°/minの条件で測定する方法を採用する。なお、回折線の強度(ピーク強度)は、市販の解析ソフト(例えば、Materials Data社製「JADE」)を用いて、Kα2及びバックグラウンドを除去した後に計算する。
Therefore, in the present invention, the compound represented by the following formula (2a):
I(14/29) value (Y2) = 5.15 × 10 −3 × − 0.196 (2a)
If the straight line represented by represents the boundary between a state in which the added metal element is sufficiently dissolved in the pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide and a state in which the added metal element is not sufficiently dissolved in the pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide, when the measured I(14/29) value is equal to or less than the I(14/29) value (Y2), that is, when the condition represented by the formula (2) is satisfied, it can be determined that the added metal element is sufficiently dissolved in the pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide, and when the measured I(14/29) value exceeds the lattice constant (Y2), that is, when the condition represented by the formula (2) is not satisfied, it can be determined that the added metal element is not sufficiently dissolved in the pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide. The I(14/29) value can be determined from the peak intensity I(14) of the diffraction line at 2θ=14.5° and the peak intensity I(29) of the diffraction line at 2θ=29° in the X-ray diffraction pattern obtained by X-ray diffraction measurement. The X-ray diffraction measurement method employs an X-ray diffraction device (e.g., "RINT-Ultima" manufactured by Rigaku Corporation) that uses CuKα radiation as an X-ray source under conditions of tube voltage 40 KV, tube current 40 mA, and scan speed 2θ=10°/min. The intensity (peak intensity) of the diffraction radiation is calculated after removing Kα2 and background using commercially available analysis software (e.g., "JADE" manufactured by Materials Data, Inc.).

さらに、本発明の酸素貯蔵材料が、使用初期だけでなく、1100℃程度という高温の排ガスに長時間曝された後においても、約250℃という低温において優れた酸素貯蔵能(OSC)を発現することができ、利用効率が高くなる理由は必ずしも定かではないが、本発明者らは以下のように推察する。すなわち、本発明の酸素貯蔵材料を構成する前記添加金属元素含有セリア-ジルコニア系複合酸化物におけるCeO-ZrOの超格子構造は、気相中の酸素分圧に応じてパイロクロア相(CeZr)とκ相(CeZr)との間で相変化を行い、酸素貯蔵能(OSC)を発現する。Sn4+、Sc3+及びMg2+のイオン半径はZr4+のイオン半径に近いため、本発明にかかる前記添加金属元素含有セリア-ジルコニア系複合酸化物においては、前記添加金属イオンが選択的にZrサイトと置換していると考えられる。ZrサイトがSnイオンで置換された場合には、CeサイトとZrサイトとのイオン半径差が拡大して、超格子構造がより安定化されるため、また、Scイオン又はMgイオンで置換された場合には、電荷補償により生成する酸素欠陥を含む状態の超格子構造がより安定化されるため、本発明の酸素貯蔵材料は、1100℃程度という高温の排ガスに長時間曝された後においても、約250℃という低温において優れた酸素貯蔵能(OSC)を発現することができ、利用効率が高くなると推察される。 Furthermore, the oxygen storage material of the present invention can exhibit excellent oxygen storage capacity (OSC) at a low temperature of about 250°C not only at the beginning of use but also after long-term exposure to high-temperature exhaust gas of about 1100°C, and the reason why the utilization efficiency is high is not necessarily clear, but the inventors speculate as follows. That is, the superlattice structure of CeO 2 -ZrO 2 in the ceria-zirconia composite oxide containing additive metal elements constituting the oxygen storage material of the present invention undergoes a phase change between the pyrochlore phase (Ce 2 Zr 2 O 7 ) and the κ phase (Ce 2 Zr 2 O 8 ) depending on the oxygen partial pressure in the gas phase, and exhibits oxygen storage capacity (OSC). Since the ionic radii of Sn 4+ , Sc 3+ and Mg 2+ are close to the ionic radius of Zr 4+ , it is considered that the additive metal ions selectively substitute for Zr sites in the additive metal element-containing ceria-zirconia composite oxide according to the present invention. When the Zr site is replaced with an Sn ion, the difference in ionic radius between the Ce site and the Zr site increases, and the superlattice structure becomes more stable. When the Zr site is replaced with an Sc ion or an Mg ion, the superlattice structure including oxygen defects generated by charge compensation becomes more stable. Therefore, it is presumed that the oxygen storage material of the present invention can exhibit excellent oxygen storage capacity (OSC) at a low temperature of about 250°C even after being exposed to high-temperature exhaust gas of about 1100°C for a long period of time, and the utilization efficiency becomes high.

本発明によれば、使用初期だけでなく、1100℃程度という高温の排ガスに長時間曝された後においても、約250℃という低温において優れた酸素貯蔵能(OSC)を発現することができ、利用効率が高い酸素貯蔵材料を得ることが可能となる。 According to the present invention, it is possible to obtain an oxygen storage material with high utilization efficiency that exhibits excellent oxygen storage capacity (OSC) at a low temperature of about 250°C, not only at the initial stage of use, but also after prolonged exposure to high-temperature exhaust gases at about 1100°C.

実施例1~6及び比較例1~4で得られた、高温耐久試験前後の複合酸化物粉末の格子定数をジルコニウムのモル分率Xに対してプロットした結果を示すグラフである。1 is a graph showing the results of plotting the lattice constants of the composite oxide powders obtained in Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 4 before and after a high-temperature durability test against the zirconium mole fraction X. 実施例1~6及び比較例1~4で得られた、高温耐久試験前後の複合酸化物粉末のI(14/29)値をジルコニウムのモル分率Xに対してプロットした結果を示すグラフである。1 is a graph showing the results of plotting the I(14/29) values of the composite oxide powders obtained in Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 4 before and after a high-temperature durability test against the zirconium molar fraction X. 実施例1~6及び比較例1~4で得られた、高温耐久試験後の複合酸化物粉末について、触媒粉末のOSC材利用率をジルコニウムのモル分率Xに対してプロットした結果を示すグラフである。1 is a graph showing the results of plotting the OSC material utilization rate of catalyst powder against the zirconium mole fraction X for the composite oxide powders obtained in Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 4 after a high-temperature durability test.

以下、本発明をその好適な実施形態に即して詳細に説明する。 The present invention will be described in detail below with reference to preferred embodiments.

先ず、本発明の酸素貯蔵材料について説明する。本発明の酸素貯蔵材料は、パイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物と前記セリア-ジルコニア系複合酸化物に添加されたスズ、スカンジウム及びマグネシウムからなる群から選択される少なくとも1種の添加金属元素とを含有する酸素貯蔵材料であって、
セリウム(Ce)とジルコニウム(Zr)との合計量に対する前記添加金属元素(M)の含有比率(M/(Ce+Zr)×100)が0.4~5.5at%であり、
セリウム(Ce)とジルコニウム(Zr)との総モル数に対するジルコニウムのモル分率(X=Zr/(Ce+Zr)×100)がX=44.5~49.9%であり、
大気中、1100℃で加熱する前及び5時間加熱した後の、CuKαを用いたX線回折測定により得られるX線回折パターンから求められる格子定数が下記式(1):
格子定数≦-9.69×10-3X+11.009 (1)
(前記式中、Xは前記ジルコニウムのモル分率を表す)
で表される条件を満たすものであり、
大気中、1100℃で加熱する前及び5時間加熱した後の、CuKαを用いたX線回折測定により得られるX線回折パターンから求められる2θ=14.5°付近の回折線と2θ=29°付近の回折線と強度比〔I(14/29)値〕が下記式(2):
I(14/29)値≦5.15×10-3X-0.196 (2)
(前記式中、Xは前記ジルコニウムのモル分率を表す)
で表される条件を満たすものである。
First, the oxygen storage material of the present invention will be described. The oxygen storage material of the present invention is an oxygen storage material containing a pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide and at least one additive metal element selected from the group consisting of tin, scandium, and magnesium added to the ceria-zirconia composite oxide,
The content ratio (M/(Ce+Zr)×100) of the added metal element (M) relative to the total amount of cerium (Ce) and zirconium (Zr) is 0.4 to 5.5 at %,
The mole fraction of zirconium relative to the total mole number of cerium (Ce) and zirconium (Zr) (X=Zr/(Ce+Zr)×100) is X=44.5% to 49.9%;
Before and after heating at 1100° C. in air for 5 hours, the lattice constant calculated from the X-ray diffraction pattern obtained by X-ray diffraction measurement using CuKα is expressed by the following formula (1):
Lattice constant≦−9.69× 10−3X +11.009 (1)
(wherein X represents the mole fraction of zirconium)
The condition expressed by
The intensity ratio [I(14/29) value] of the diffraction line near 2θ=14.5° to the diffraction line near 2θ=29° obtained from the X-ray diffraction pattern obtained by X-ray diffraction measurement using CuKα before and after heating at 1100° C. in air is expressed by the following formula (2):
I(14/29) value≦5.15× 10−3 ×−0.196 (2)
(wherein X represents the mole fraction of zirconium)
It satisfies the condition expressed by:

本発明の酸素貯蔵材料は、CeとZrとが規則的に配列している超格子構造を有するセリア-ジルコニア系複合酸化物(以下、「パイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物」という)からなるものである。このようなパイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物からなる酸素貯蔵材料は、蛍石構造を有するセリア-ジルコニア系複合酸化物よりもバルク内の酸素拡散速度が大きいため、酸素貯蔵能(OSC)に優れている。なお、CuKα線を用いたX線回折測定において超格子構造に由来するピーク(2θ=14.0°~16.0°に現れるピーク)の存在を認識することによって、セリア-ジルコニア系複合酸化物が超格子構造を有するパイロクロア型であることを確認することができる。 The oxygen storage material of the present invention is made of a ceria-zirconia composite oxide (hereinafter referred to as "pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide") having a superlattice structure in which Ce and Zr are regularly arranged. An oxygen storage material made of such a pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide has a higher oxygen diffusion rate in the bulk than a ceria-zirconia composite oxide having a fluorite structure, and therefore has excellent oxygen storage capacity (OSC). Note that by recognizing the presence of a peak (peak appearing at 2θ = 14.0° to 16.0°) derived from the superlattice structure in an X-ray diffraction measurement using CuKα radiation, it can be confirmed that the ceria-zirconia composite oxide is a pyrochlore-type having a superlattice structure.

また、本発明の酸素貯蔵材料は、このようなパイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物に添加されたスズ(Sn)、スカンジウム(Sc)及びマグネシウム(Mg)からなる群から選択される少なくとも1種の添加金属元素を更に含有するものである。これらの添加金属元素を固溶させることによって、低温での酸素貯蔵能(OSC)及び酸素貯蔵材料としての利用効率が向上する。また、これらの添加金属元素の中でも、低温での酸素貯蔵能(OSC)が向上し、耐熱性の低下が抑制されるという観点から、スズが好ましく、また、耐熱性を確保しつつ、酸素欠陥が生じることによって酸素の低温動作性が向上するという観点から、スカンジウム及びマグネシウムが好ましい。 The oxygen storage material of the present invention further contains at least one additive metal element selected from the group consisting of tin (Sn), scandium (Sc) and magnesium (Mg) added to such a pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide. By dissolving these additive metal elements, the oxygen storage capacity (OSC) at low temperatures and the utilization efficiency as an oxygen storage material are improved. Among these additive metal elements, tin is preferred from the viewpoint of improving the oxygen storage capacity (OSC) at low temperatures and suppressing the decrease in heat resistance, and scandium and magnesium are preferred from the viewpoint of improving the low-temperature operation of oxygen by generating oxygen defects while maintaining heat resistance.

このような添加金属元素の含有量は、セリウム(Ce)とジルコニウム(Zr)との合計量に対する前記添加金属元素(M)の含有比率(M/(Ce+Zr)×100)として、0.4~5.5at%であることが必要であり、1~3at%であることがより好ましい。前記添加金属元素の含有量が前記下限未満になると、前記添加金属元素の固溶による、低温での酸素貯蔵能(OSC)の向上効果と酸素貯蔵材料としての利用効率の向上効果が十分に得られない。他方、前記添加金属元素の含有量が前記上限を超えると、前記添加金属元素が十分に固溶せず、低温での酸素貯蔵能(OSC)の向上効果と酸素貯蔵材料としての利用効率の向上効果が十分に得られない。 The content of such an added metal element must be 0.4 to 5.5 at%, and more preferably 1 to 3 at%, as the content ratio of the added metal element (M) to the total amount of cerium (Ce) and zirconium (Zr) (M/(Ce+Zr)×100). If the content of the added metal element is less than the lower limit, the effect of improving the oxygen storage capacity (OSC) at low temperatures and the effect of improving the utilization efficiency as an oxygen storage material due to the solid solution of the added metal element cannot be sufficiently obtained. On the other hand, if the content of the added metal element exceeds the upper limit, the added metal element does not sufficiently dissolve, and the effect of improving the oxygen storage capacity (OSC) at low temperatures and the effect of improving the utilization efficiency as an oxygen storage material cannot be sufficiently obtained.

なお、セリア-ジルコニア系複合酸化物に前記添加金属元素を添加しても、いわゆる固相合成法、水熱合成法といった方法ではセリア-ジルコニア系複合酸化物に前記添加金属元素を十分に固溶させることが困難であるため、前記添加金属元素の添加は、低温での酸素貯蔵能(OSC)の向上や酸素貯蔵材料としての利用効率の向上に寄与しないのに対し、本発明においては、後述する本発明の製造方法によって、従来は得ることができなかった前記添加金属元素が十分に固溶した前記添加金属元素含有セリア-ジルコニア系複合酸化物を得ることができ、低温での酸素貯蔵能(OSC)の向上や酸素貯蔵材料としての利用効率の向上を達成することが可能となる。 Even if the additive metal element is added to the ceria-zirconia composite oxide, it is difficult to sufficiently dissolve the additive metal element in the ceria-zirconia composite oxide using methods such as the so-called solid-phase synthesis method and hydrothermal synthesis method, and the addition of the additive metal element does not contribute to improving the oxygen storage capacity (OSC) at low temperatures or improving the utilization efficiency as an oxygen storage material. In contrast, in the present invention, the manufacturing method of the present invention described below can obtain the additive metal element-containing ceria-zirconia composite oxide in which the additive metal element is sufficiently dissolved, which was not possible to obtain in the past, and it is possible to achieve an improvement in the oxygen storage capacity (OSC) at low temperatures and an improvement in the utilization efficiency as an oxygen storage material.

本発明の酸素貯蔵材料においては、セリウム(Ce)とジルコニウム(Zr)との総モル数に対するジルコニウムのモル分率(X=Zr/(Ce+Zr)×100)がX=44.5~49.9%であることが必要であり、47.0~49.9%であることが好ましい。ジルコニウムのモル分率が前記下限未満になると、十分な酸素貯蔵能(OSC)が得られにくくなり、他方、前記上限を超えると、単相として得ることが困難となる。 In the oxygen storage material of the present invention, the molar fraction of zirconium relative to the total number of moles of cerium (Ce) and zirconium (Zr) (X = Zr/(Ce + Zr) x 100) must be X = 44.5 to 49.9%, and is preferably 47.0 to 49.9%. If the molar fraction of zirconium is below the lower limit, it becomes difficult to obtain a sufficient oxygen storage capacity (OSC), while if it exceeds the upper limit, it becomes difficult to obtain a single phase.

また、本発明の酸素貯蔵材料は、大気中、1100℃で加熱する前(高温耐久試験前)及び5時間加熱した後(高温耐久試験後)の、CuKαを用いたX線回折測定により得られるX線回折パターンから求められる格子定数が下記式(1):
格子定数≦-9.69×10-3X+11.009 (1)
(前記式中、Xは前記ジルコニウムのモル分率を表す)
で表される条件を満たし、かつ、
前記高温耐久試験前及び前記高温耐久試験後の、CuKαを用いたX線回折測定により得られるX線回折パターンから求められる2θ=14.5°付近の回折線と2θ=29°付近の回折線と強度比〔I(14/29)値〕が下記式(2):
I(14/29)値≦5.15×10-3X-0.196 (2)
(前記式中、Xは前記ジルコニウムのモル分率を表す)
で表される条件を満たすものである。高温耐久試験前及び高温耐久試後の格子定数が前記式(1)で表される条件を満たし、かつ、高温耐久試験前及び高温耐久試後のI(14/29)値が前記式(2)で表される条件を満たす酸素貯蔵材料は、前記パイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物に前記添加金属元素が十分に固溶しており、使用初期だけでなく、1100℃程度という高温の排ガスに長時間曝された後においても、約250℃という低温において優れた酸素貯蔵能(OSC)を発現することができ、高い利用効率を示す。一方、高温耐久試験前及び高温耐久試後の格子定数が前記式(1)で表される条件を満足さない場合、或いは、高温耐久試験前及び高温耐久試後のI(14/29)値が前記式(2)で表される条件を満たさない場合には、前記パイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物に前記添加金属元素が十分に固溶していないため、使用初期及び1100℃程度という高温の排ガスに長時間曝された後のいずれにおいても、約250℃という低温における酸素貯蔵能(OSC)が十分に発現せず、酸素貯蔵材料としての利用効率も低くなる。
In addition, the oxygen storage material of the present invention has a lattice constant determined from X-ray diffraction patterns obtained by X-ray diffraction measurement using CuKα before heating at 1100° C. in air (before the high-temperature durability test) and after heating for 5 hours (after the high-temperature durability test) that satisfies the following formula (1):
Lattice constant≦−9.69× 10−3X +11.009 (1)
(wherein X represents the mole fraction of zirconium)
The condition expressed by the following is satisfied, and
The intensity ratio [I(14/29) value] of a diffraction line near 2θ=14.5° to a diffraction line near 2θ=29° obtained from an X-ray diffraction pattern obtained by X-ray diffraction measurement using CuKα before and after the high-temperature durability test is expressed by the following formula (2):
I(14/29) value≦5.15× 10−3 ×−0.196 (2)
(wherein X represents the mole fraction of zirconium)
In an oxygen storage material in which the lattice constant before and after the high-temperature durability test satisfies the condition represented by formula (1) and the I(14/29) value before and after the high-temperature durability test satisfies the condition represented by formula (2), the added metal element is sufficiently dissolved in the pyrochlore-type ceria-zirconia-based composite oxide, and the material can exhibit excellent oxygen storage capacity (OSC) at a low temperature of about 250° C. not only in the initial stage of use but also after long-term exposure to high-temperature exhaust gas of about 1100° C., thereby exhibiting high utilization efficiency. On the other hand, if the lattice constants before and after the high-temperature durability test do not satisfy the condition represented by formula (1), or if the I(14/29) values before and after the high-temperature durability test do not satisfy the condition represented by formula (2), the added metal element is not sufficiently dissolved in the pyrochlore-type ceria-zirconia-based composite oxide, and therefore the oxygen storage capacity (OSC) at a low temperature of about 250° C. is not sufficiently exhibited either at the beginning of use or after long-term exposure to high-temperature exhaust gas at about 1100° C., and the utilization efficiency as an oxygen storage material is also low.

ここで、2θ=14.5°付近の回折線は規則相の(111)面に帰属する回折線であり、2θ=29°付近の回折線は規則相の(222)面に帰属する回折線とセリア-ジルコニア固溶体(CZ固溶体)の立方晶相(111)面に帰属する回折線とが重なるため、両者の回折線の強度比であるI(14/29)値を算出することにより超格子構造(規則相)の維持率(存在率)を示す指標として規定される。 Here, the diffraction lines near 2θ = 14.5° are diffraction lines attributable to the (111) plane of the ordered phase, and the diffraction lines near 2θ = 29° are diffraction lines attributable to the (222) plane of the ordered phase and diffraction lines attributable to the (111) plane of the cubic phase of the ceria-zirconia solid solution (CZ solid solution), which overlap. Therefore, the I (14/29) value, which is the intensity ratio of the two diffraction lines, is calculated and defined as an index showing the maintenance rate (abundance rate) of the superlattice structure (ordered phase).

さらに、本発明の酸素貯蔵材料の平均結晶子径は、0.1~10μmであることが好ましく、0.2~5μmであることがより好ましい。このような平均結晶子径が前記下限未満になると、前記高温耐久試験後において、超格子構造の維持率を示すI(14/29)値が低下しやすくなる傾向にあり、他方、前記上限を超えると、酸素貯蔵能(OSC)の向上効果が十分に得られにくくなる傾向にある。なお、このような平均結晶子径は、CuKαを用いたX線回折測定により得られるX線回折パターンから求められる2θ=29°付近の回折線の半値幅を用い、市販の解析ソフト(例えば、Materials Data社製「JADE」)を用いてシェラー式に基づいて算出することができる。 Furthermore, the average crystallite diameter of the oxygen storage material of the present invention is preferably 0.1 to 10 μm, and more preferably 0.2 to 5 μm. If the average crystallite diameter is less than the lower limit, the I(14/29) value, which indicates the maintenance rate of the superlattice structure, tends to decrease after the high-temperature durability test, while if it exceeds the upper limit, the effect of improving the oxygen storage capacity (OSC) tends to be difficult to obtain. Note that such an average crystallite diameter can be calculated based on the Scherrer formula using commercially available analysis software (for example, "JADE" manufactured by Materials Data) using the half-width of the diffraction line near 2θ = 29° obtained from the X-ray diffraction pattern obtained by X-ray diffraction measurement using CuKα.

また、本発明の酸素貯蔵材料の比表面積としては特に制限されないが、0.01~20m/gであることが好ましく、0.05~10m/gであることがより好ましく、0.1~5m/gであることが更により好ましい。このような比表面積が前記下限未満になると、酸素貯蔵能が小さくなる傾向にあり、他方、前記上限を超えると、粒子径が小さな粒子が増加し、耐熱性が低下する傾向にある。なお、このような比表面積は吸着等温線からBET等温吸着式を用いてBET比表面積として算出することができる。 The specific surface area of the oxygen storage material of the present invention is not particularly limited, but is preferably 0.01 to 20 m 2 /g, more preferably 0.05 to 10 m 2 /g, and even more preferably 0.1 to 5 m 2 /g. If the specific surface area is less than the lower limit, the oxygen storage capacity tends to decrease, while if it exceeds the upper limit, the number of particles with small particle diameters increases, and the heat resistance tends to decrease. The specific surface area can be calculated as the BET specific surface area from the adsorption isotherm using the BET isothermal adsorption equation.

また、本発明の酸素貯蔵材料においては、セリウム及びスカンジウム以外の希土類元素及びマグネシウム以外のアルカリ土類元素からなる群から選択される少なくとも一種の元素を更に含有していてもよい。このような元素を含有させることで、本発明の酸素貯蔵材料を排ガス浄化用触媒の担体として用いた場合に、より高い排ガス浄化能が発揮される傾向にある。このようなセリウム及びスカンジウム以外の希土類元素としては、イットリウム(Y)、ランタン(La)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、サマリウム(Sm)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、イッテルビウム(Yb)、ルテチウム(Lu)等が挙げられ、中でも、超格子構造を安定化させる傾向にあるという観点から、La、Nd、Pr、Yが好ましく、La、Y、Ndがより好ましい。また、マグネシウム以外のアルカリ土類金属元素としては、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)、ラジウム(Ra)が挙げられ、中でも、超格子構造を安定化させる傾向にあるという観点から、Ca、Baが好ましい。 In addition, the oxygen storage material of the present invention may further contain at least one element selected from the group consisting of rare earth elements other than cerium and scandium and alkaline earth elements other than magnesium. By containing such an element, when the oxygen storage material of the present invention is used as a carrier for an exhaust gas purification catalyst, a higher exhaust gas purification ability tends to be exhibited. Such rare earth elements other than cerium and scandium include yttrium (Y), lanthanum (La), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), samarium (Sm), gadolinium (Gd), terbium (Tb), dysprosium (Dy), ytterbium (Yb), lutetium (Lu), etc., among which La, Nd, Pr, and Y are preferred, and La, Y, and Nd are more preferred, from the viewpoint of tending to stabilize the superlattice structure. In addition, examples of alkaline earth metal elements other than magnesium include calcium (Ca), strontium (Sr), barium (Ba), and radium (Ra), of which Ca and Ba are preferred because they tend to stabilize the superlattice structure.

さらに、セリウム及びスカンジウム以外の希土類元素及びマグネシウム以外のアルカリ土類元素からなる群から選択される少なくとも一種の元素を更に含有する場合においては、前記元素の含有量が、セリウム(Ce)とジルコニウム(Zr)との合計量に対して、0.5~20at%であることが好ましく、1~10at%であることがより好ましい。このような元素の含有量が前記下限未満になると、超格子構造を安定化させる作用が低下する傾向にあり、他方、前記上限を超えると、酸素貯蔵能が低下してしまう傾向にある。 When at least one element selected from the group consisting of rare earth elements other than cerium and scandium and alkaline earth elements other than magnesium is further contained, the content of the element is preferably 0.5 to 20 at% and more preferably 1 to 10 at% based on the total amount of cerium (Ce) and zirconium (Zr). If the content of such an element is below the lower limit, the effect of stabilizing the superlattice structure tends to decrease, while if it exceeds the upper limit, the oxygen storage capacity tends to decrease.

本発明の酸素貯蔵材料は、前記パイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物と、このセリア-ジルコニア系複合酸化物に添加された前記添加金属元素とを含有するものであり、使用初期だけでなく、1100℃程度という高温の排ガスに長時間曝された後においても、約250℃という低温において優れた酸素貯蔵能(OSC)を発現することが可能なものである。そのため、本発明の酸素貯蔵材料は、排ガス浄化触媒の担体や助触媒として好適に用いられる。このような本発明の酸素貯蔵材料を用いた好適な例としては、前記本発明の酸素貯蔵材料からなる担体と、前記担体に担持された貴金属とからなる排ガス浄化用触媒が挙げられる。このような貴金属としては、白金、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、金、銀等が挙げられる。また、他の例としては、他の触媒担体微粒子に貴金属が担持された排ガス浄化触媒の周囲に、前記本発明の酸素貯蔵材料を配置してなるものが挙げられる。 The oxygen storage material of the present invention contains the pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide and the additive metal element added to the ceria-zirconia composite oxide, and is capable of exhibiting excellent oxygen storage capacity (OSC) at a low temperature of about 250°C, not only at the beginning of use but also after long-term exposure to high-temperature exhaust gas of about 1100°C. Therefore, the oxygen storage material of the present invention is suitably used as a support or co-catalyst for exhaust gas purification catalysts. A suitable example of using such an oxygen storage material of the present invention is an exhaust gas purification catalyst consisting of a support made of the oxygen storage material of the present invention and a precious metal supported on the support. Such precious metals include platinum, rhodium, palladium, osmium, iridium, gold, silver, etc. Another example is one in which the oxygen storage material of the present invention is arranged around an exhaust gas purification catalyst in which a precious metal is supported on other catalyst support fine particles.

次に、本発明の酸素貯蔵材料の製造方法について説明する。本発明の酸素貯蔵材料の製造方法は、パイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物と前記セリア-ジルコニア系複合酸化物に添加されたスズ、スカンジウム及びマグネシウムからなる群から選択される少なくとも1種の添加金属元素とを含有する酸素貯蔵材料の製造方法であって、
セリウム(Ce)とジルコニウム(Zr)との合計量に対する前記添加金属元素(M)の含有比率(M/(Ce+Zr)×100)が0.4~5.5at%であり、セリウム(Ce)とジルコニウム(Zr)との総モル数に対するジルコニウムのモル分率(Zr/(Ce+Zr)×100)が44.5~49.9%である前記添加金属元素を含有するセリア-ジルコニア系固溶体粉末を準備する工程(第1の工程)と、
前記添加金属元素を含有するセリア-ジルコニア系固溶体粉末を30~350MPaの圧力で加圧成形した後、1400~2000℃の温度条件で還元処理し、さらに酸化処理して請求項1又は2に記載のパイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物と前記セリア-ジルコニア系複合酸化物に添加された前記添加金属元素とを含有する酸素貯蔵材料を得る工程(第2の工程)と、
を含む方法である。
Next, a method for producing an oxygen storage material of the present invention will be described. The method for producing an oxygen storage material of the present invention is a method for producing an oxygen storage material containing a pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide and at least one additive metal element selected from the group consisting of tin, scandium, and magnesium added to the ceria-zirconia composite oxide, comprising the steps of:
A step (first step) of preparing a ceria-zirconia solid solution powder containing the additive metal element (M), in which the content ratio (M/(Ce+Zr)×100) of the additive metal element (M) relative to the total amount of cerium (Ce) and zirconium (Zr) is 0.4 to 5.5 at %, and the molar fraction (Zr/(Ce+Zr)×100) of zirconium relative to the total number of moles of cerium (Ce) and zirconium (Zr) is 44.5 to 49.9%;
a step (second step) of compressing the ceria-zirconia solid solution powder containing the additive metal element at a pressure of 30 to 350 MPa, reducing the powder at a temperature of 1400 to 2000° C., and then oxidizing the powder to obtain an oxygen storage material containing the pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide according to claim 1 or 2 and the additive metal element added to the ceria-zirconia composite oxide;
The method includes:

先ず、第1の工程において、スズ(Sn)、スカンジウム(Sc)及びマグネシウム(Mg)からなる群から選択される少なくとも1種の添加金属元素を含有し、セリウム(Ce)とジルコニウム(Zr)との合計量に対する前記添加金属元素(M)の含有比率(M/(Ce+Zr)×100)が0.4~5.5at%(好ましくは、1~3at%)であり、セリウム(Ce)とジルコニウム(Zr)との総モル数に対するジルコニウムのモル分率(Zr/(Ce+Zr)×100)が44.5~49.9%(好ましくは、47.0~49.9%)である前記添加金属元素含有セリア-ジルコニア固溶体粉末を準備する。 First, in the first step, a ceria-zirconia solid solution powder containing an additive metal element is prepared, which contains at least one additive metal element selected from the group consisting of tin (Sn), scandium (Sc) and magnesium (Mg), and the content ratio of the additive metal element (M) to the total amount of cerium (Ce) and zirconium (Zr) (M/(Ce+Zr)×100) is 0.4 to 5.5 at% (preferably 1 to 3 at%), and the molar fraction of zirconium to the total number of moles of cerium (Ce) and zirconium (Zr) (Zr/(Ce+Zr)×100) is 44.5 to 49.9% (preferably 47.0 to 49.9%).

前記添加金属元素含有セリア-ジルコニア固溶体粉末において、前記添加金属元素の含有量が前記下限未満になると、得られる酸素貯蔵材料において、前記添加金属元素の固溶による、低温での酸素貯蔵能(OSC)の向上効果と酸素貯蔵材料としての利用効率の向上効果が十分に得られにくくなり、他方、前記上限を超えると、得られる酸素貯蔵材料において、前記添加金属元素が十分に固溶せず、低温での酸素貯蔵能(OSC)の向上効果と酸素貯蔵材料としての利用効率の向上効果が十分に得られにくくなる。また、前記ジルコニウムのモル分率が前記下限未満になると、得られる酸素貯蔵材料において、十分な酸素貯蔵能(OSC)が得られにくくなり、他方、前記上限を超えると、酸素貯蔵材料を単相として得ることが困難となる。 In the ceria-zirconia solid solution powder containing the additive metal element, if the content of the additive metal element is less than the lower limit, the effect of improving the oxygen storage capacity (OSC) at low temperatures and the effect of improving the utilization efficiency as an oxygen storage material due to the solid solution of the additive metal element are difficult to obtain in the resulting oxygen storage material. On the other hand, if the content exceeds the upper limit, the additive metal element is not sufficiently solid-dissolved in the resulting oxygen storage material, and the effect of improving the oxygen storage capacity (OSC) at low temperatures and the effect of improving the utilization efficiency as an oxygen storage material are difficult to obtain. In addition, if the mole fraction of the zirconium is less than the lower limit, it is difficult to obtain a sufficient oxygen storage capacity (OSC) in the resulting oxygen storage material. On the other hand, if the mole fraction of the zirconium is more than the upper limit, it is difficult to obtain an oxygen storage material as a single phase.

また、前記添加金属元素含有セリア-ジルコニア固溶体粉末においては、超格子構造をより十分に形成させるという観点から、セリアとジルコニアとが原子レベルで混合された固溶体を用いることが好ましい。さらに、このような添加金属元素含有セリア-ジルコニア固溶体粉末としては、平均一次粒子径が2~100nm程度であることが好ましく、5~70nm程度であることがより好ましく、また、比表面積が1.0~100m/gであることが好ましく、10~80m/gであることがより好ましく、30~80m/gであることが更により好ましい。 From the viewpoint of more fully forming a superlattice structure, it is preferable to use a solid solution in which ceria and zirconia are mixed at the atomic level in the ceria-zirconia solid solution powder containing an additive metal element. Furthermore, such a ceria-zirconia solid solution powder containing an additive metal element preferably has an average primary particle size of about 2 to 100 nm, more preferably about 5 to 70 nm, and a specific surface area of preferably 1.0 to 100 m 2 /g, more preferably 10 to 80 m 2 /g, and even more preferably 30 to 80 m 2 /g.

このような添加金属元素含有セリア-ジルコニア固溶体粉末を準備(調製)する方法は特に制限されず、例えば、いわゆる共沈法を採用して、セリウム、ジルコニウム及び前記添加金属元素の含有比率が上記範囲内となるように前記固溶体粉末を製造する方法等が挙げられる。このような共沈法としては、例えば、セリウムの塩(例えば、硝酸塩)、ジルコニウムの塩(例えば、硝酸塩)及び前記添加金属の塩(例えば、硝酸塩)を含有する水溶液を用い、アンモニアの存在下で共沈殿物を生成せしめ、得られた共沈殿物を遠心分離、洗浄した後に乾燥し、更に焼成後、ボールミル等の粉砕機を用いて粉砕することにより、前記添加金属元素含有セリア-ジルコニア固溶体粉末を得る方法が挙げられる。なお、前記セリウムの塩、ジルコニウムの塩及び前記添加金属の塩を含有する水溶液は、得られる固溶体粉末中のセリウム、ジルコニウム及び前記添加金属元素の含有比率が所定の範囲内となるようにして調製する。また、このような水溶液には、必要に応じて、希土類元素並びにアルカリ土類元素からなる群から選択される少なくとも一種の元素の塩や、界面活性剤(例えば、ノニオン系界面活性剤)等を添加してもよい。 There are no particular limitations on the method for preparing (preparing) such an additive metal element-containing ceria-zirconia solid solution powder, and examples of such methods include a method of producing the solid solution powder by employing a so-called coprecipitation method so that the content ratio of cerium, zirconium, and the additive metal element falls within the above range. Examples of such coprecipitation methods include a method in which an aqueous solution containing a cerium salt (e.g., a nitrate salt), a zirconium salt (e.g., a nitrate salt), and the additive metal salt (e.g., a nitrate salt) is used to generate a co-precipitate in the presence of ammonia, and the resulting co-precipitate is centrifuged, washed, dried, and further calcined, and then pulverized using a pulverizer such as a ball mill to obtain the additive metal element-containing ceria-zirconia solid solution powder. The aqueous solution containing the cerium salt, the zirconium salt, and the additive metal salt is prepared so that the content ratio of cerium, zirconium, and the additive metal element in the resulting solid solution powder falls within a predetermined range. In addition, such an aqueous solution may contain, as necessary, a salt of at least one element selected from the group consisting of rare earth elements and alkaline earth elements, a surfactant (e.g., a nonionic surfactant), etc.

また、このような前記添加金属元素含有セリア-ジルコニア固溶体粉末には、セリウム及びスカンジウム以外の希土類元素及びマグネシウム以外のアルカリ土類元素からなる群から選択される少なくとも一種の元素を更に含有していてもよい。このような元素を含有させることで、本発明の酸素貯蔵材料を排ガス浄化用触媒の助触媒として用いた場合に、より高い排ガス浄化能が発揮される傾向にある。このようなセリウム及びスカンジウム以外の希土類元素としては、イットリウム(Y)、ランタン(La)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、サマリウム(Sm)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、イッテルビウム(Yb)、ルテチウム(Lu)等が挙げられ、中でも、超格子構造を安定化させる傾向にあるという観点から、La、Nd、Pr、Yが好ましく、La、Y、Ndがより好ましい。また、マグネシウム以外のアルカリ土類金属元素としては、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)、ラジウム(Ra)が挙げられ、中でも、超格子構造を安定化させる傾向にあるという観点から、Ca、Baが好ましい。 The ceria-zirconia solid solution powder containing the additive metal element may further contain at least one element selected from the group consisting of rare earth elements other than cerium and scandium and alkaline earth elements other than magnesium. By containing such an element, when the oxygen storage material of the present invention is used as a co-catalyst for an exhaust gas purification catalyst, a higher exhaust gas purification ability tends to be exhibited. Examples of such rare earth elements other than cerium and scandium include yttrium (Y), lanthanum (La), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), samarium (Sm), gadolinium (Gd), terbium (Tb), dysprosium (Dy), ytterbium (Yb), and lutetium (Lu). Among them, La, Nd, Pr, and Y are preferred, and La, Y, and Nd are more preferred, from the viewpoint of tending to stabilize the superlattice structure. In addition, examples of alkaline earth metal elements other than magnesium include calcium (Ca), strontium (Sr), barium (Ba), and radium (Ra), of which Ca and Ba are preferred because they tend to stabilize the superlattice structure.

さらに、セリウム及びスカンジウム以外の希土類元素及びマグネシウム以外のアルカリ土類元素からなる群から選択される少なくとも一種の元素を更に含有する場合においては、前記元素の含有量が、前記添加金属元素含有セリア-ジルコニア固溶体粉末中のセリウム(Ce)とジルコニウム(Zr)との合計量に対して、0.5~20at%であることが好ましく、1~10at%であることがより好ましい。このような元素の含有量が前記下限未満になると、超格子構造を安定化させることが困難となる傾向にあり、他方、前記上限を超えると、酸素貯蔵能が低下してしまう傾向にある。 When at least one element selected from the group consisting of rare earth elements other than cerium and scandium and alkaline earth elements other than magnesium is further contained, the content of the element is preferably 0.5 to 20 at% and more preferably 1 to 10 at% based on the total amount of cerium (Ce) and zirconium (Zr) in the ceria-zirconia solid solution powder containing the added metal element. If the content of such an element is below the lower limit, it tends to be difficult to stabilize the superlattice structure, while if it exceeds the upper limit, the oxygen storage capacity tends to decrease.

次に、第2の工程において、前記添加金属元素含有セリア-ジルコニア系固溶体粉末を30~350MPaの圧力(好ましくは、40~300MPaの圧力)で加圧成形する。加圧成形圧力が前記下限未満になると、粉体の二次粒子同士の接触性が向上しないため、還元処理時における結晶成長が十分に促進されず、1100℃程度という高温の排ガスに長時間曝された際の超格子構造の安定性が低下する。他方、加圧成形圧力が前記上限を超えると、還元処理時の結晶成長が進行し過ぎ、約300℃という低温での酸素貯蔵能(OSC)が低下する傾向にある。なお、このような加圧成形の方法としては特に制限されず、静水圧プレス等の公知の加圧成形方法を適宜採用できる。 Next, in the second step, the ceria-zirconia solid solution powder containing the additive metal element is pressure-molded at a pressure of 30 to 350 MPa (preferably, a pressure of 40 to 300 MPa). If the pressure-molding pressure is less than the lower limit, the contact between the secondary particles of the powder is not improved, so that crystal growth during the reduction treatment is not sufficiently promoted, and the stability of the superlattice structure when exposed to high-temperature exhaust gas of about 1100°C for a long period of time decreases. On the other hand, if the pressure-molding pressure exceeds the upper limit, crystal growth during the reduction treatment progresses too much, and the oxygen storage capacity (OSC) at a low temperature of about 300°C tends to decrease. The method of such pressure molding is not particularly limited, and any known pressure molding method such as a hydrostatic press can be appropriately adopted.

次に、第2の工程においては、前記加圧成形された固溶体粉末成型体に対して、還元条件下、1400~2000℃(好ましくは、1600~1900℃)の温度で0.5~24時間(好ましくは、1~10時間)加熱する還元処理を施し、さらに酸化処理を施して、本発明の酸素貯蔵材料粉末を得る。前記還元処理の温度が前記下限未満になると、結晶成長が十分に進行しないため、超格子構造の安定性が低下する。他方、前記還元処理の温度が前記上限を超えると、還元処理に要するエネルギー(例えば電力)と性能の向上とのバランスが悪くなる。また、前記還元処理の際の加熱時間が下限未満になると、超格子構造が十分に形成されにくい傾向にあり、他方、前記上限を超えると、還元処理に要するエネルギー(例えば電力)と性能の向上とのバランスが悪くなる。 Next, in the second step, the pressure-molded solid solution powder compact is subjected to a reduction treatment in which the compact is heated under reducing conditions at a temperature of 1400 to 2000°C (preferably 1600 to 1900°C) for 0.5 to 24 hours (preferably 1 to 10 hours), and then subjected to an oxidation treatment to obtain the oxygen storage material powder of the present invention. If the temperature of the reduction treatment is below the lower limit, crystal growth does not proceed sufficiently, and the stability of the superlattice structure decreases. On the other hand, if the temperature of the reduction treatment exceeds the upper limit, the balance between the energy (e.g., power) required for the reduction treatment and the improvement of performance becomes poor. In addition, if the heating time during the reduction treatment is below the lower limit, the superlattice structure tends to be difficult to form sufficiently, and on the other hand, if the heating time exceeds the upper limit, the balance between the energy (e.g., power) required for the reduction treatment and the improvement of performance becomes poor.

前記還元処理の方法としては、還元性雰囲気下で前記固溶体粉末を所定の温度条件で加熱処理することが可能な方法であれば特に制限されず、例えば、(i)真空加熱炉内に前記固溶体粉末を設置し、真空引きした後に、炉内に還元性ガスを流入させて炉内の雰囲気を還元性雰囲気として所定の温度条件で加熱して還元処理を施す方法や、(ii)黒鉛製の炉を用いて炉内に前記固溶体粉末を設置し、真空引きした後、所定の温度条件で加熱して炉体や加熱燃料等から発生するCOやHC等の還元性ガスにより炉内の雰囲気を還元性雰囲気として還元処理を施す方法や、(iii)活性炭を充填した坩堝内に前記固溶体粉末を設置し、所定の温度条件で加熱して活性炭等から発生するCOやHC等の還元性ガスにより坩堝内の雰囲気を還元性雰囲気として還元処理を施す方法が挙げられる。 The reduction method is not particularly limited as long as it is a method that can heat-treat the solid solution powder under a reducing atmosphere at a predetermined temperature condition. For example, (i) the solid solution powder is placed in a vacuum heating furnace, and after evacuation, a reducing gas is introduced into the furnace to make the atmosphere inside the furnace a reducing atmosphere and heated under a predetermined temperature condition to perform the reduction treatment; (ii) the solid solution powder is placed in a graphite furnace, and after evacuation, it is heated under a predetermined temperature condition to make the atmosphere inside the furnace a reducing atmosphere by reducing gas such as CO and HC generated from the furnace body and heating fuel, etc., to perform the reduction treatment; and (iii) the solid solution powder is placed in a crucible filled with activated carbon, and the solid solution powder is heated under a predetermined temperature condition to make the atmosphere inside the crucible a reducing atmosphere by reducing gas such as CO and HC generated from the activated carbon, etc., to perform the reduction treatment.

このような還元性雰囲気を達成させるために用いる還元性ガスとしては、特に制限されず、CO、HC、H、その他の炭化水素ガス等の還元性ガスを適宜用いることができる。また、このような還元性ガスの中でも、より高温で還元性処理をした場合に炭化ジルコニウム(ZrC)等の複生成物が生成されることを防止するという観点からは、炭素(C)を含まないものを用いることがより好ましい。このような炭素(C)を含まない還元性ガスを用いた場合には、ジルコニウム等の融点に近いより高い温度条件での還元処理が可能となるため、結晶相の構造安定性を十分に向上させることが可能となる。 The reducing gas used to achieve such a reducing atmosphere is not particularly limited, and reducing gases such as CO, HC, H2 , and other hydrocarbon gases can be appropriately used. Among such reducing gases, it is more preferable to use one that does not contain carbon (C) from the viewpoint of preventing the generation of by-products such as zirconium carbide (ZrC) when performing a reducing treatment at a higher temperature. When such a reducing gas that does not contain carbon (C) is used, the reduction treatment can be performed at a higher temperature condition close to the melting point of zirconium, etc., and therefore the structural stability of the crystal phase can be sufficiently improved.

さらに、第2の工程においては、前記還元処理の後に、酸化処理が更に施される。このような酸化処理を施すことにより、得られる前記添加金属元素含有セリア-ジルコニア系複合酸化物において、還元中に失われた酸素が補填され、酸化物としての安定性が向上する。このような酸化処理の方法は特に制限されず、例えば、酸化雰囲気下(例えば、大気中)において前記添加金属元素含有セリア-ジルコニア系複合酸化物を加熱処理する方法を好適に採用することができる。また、このような酸化処理の際の加熱温度の条件としては、特に制限されないが、300~800℃程度であることが好ましい。更に、前記酸化処理の際の加熱時間も特に制限されないが、0.5~5時間程度であることが好ましい。 Furthermore, in the second step, an oxidation treatment is further carried out after the reduction treatment. By carrying out such an oxidation treatment, the oxygen lost during reduction is replenished in the obtained ceria-zirconia composite oxide containing the added metal element, and the stability as an oxide is improved. The method of such an oxidation treatment is not particularly limited, and for example, a method of heat treating the ceria-zirconia composite oxide containing the added metal element in an oxidizing atmosphere (for example, in air) can be preferably adopted. In addition, the heating temperature condition during such an oxidation treatment is not particularly limited, but is preferably about 300 to 800°C. Furthermore, the heating time during the oxidation treatment is not particularly limited, but is preferably about 0.5 to 5 hours.

また、第2の工程においては、前記還元処理及び/又は前記酸化処理の後に、前記添加金属元素含有セリア-ジルコニア系複合酸化物に粉砕処理を更に施すことが好ましい。このような粉砕処理の方法は特に制限されず、例えば、湿式粉砕法、乾式粉砕法、凍結粉砕法等を好適に採用することができる。 In the second step, it is preferable to further subject the ceria-zirconia composite oxide containing the added metal element to a pulverization treatment after the reduction treatment and/or the oxidation treatment. The method of such pulverization is not particularly limited, and for example, a wet pulverization method, a dry pulverization method, a freeze pulverization method, etc. can be suitably adopted.

以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の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 with reference to examples and comparative examples, but the present invention is not limited to the following examples.

(実施例1)
先ず、CeO換算で28質量%となる濃度の硝酸セリウム水溶液245.7gと、ZrO換算で18質量%となる濃度の硝酸ジルコニウム水溶液270.6gと、純水100mlに塩化スズ5水和物1.4gを溶解した水溶液とを混合し、得られた混合溶液を、25%アンモニア水163.2gを純水400mlで希釈した溶液に添加し、ホモジナイザ(アズワン株式会社製)を用いて1000rpmで10分間撹拌して共沈物を生成させた。得られた共沈物を、脱脂炉を用いて大気中、150℃で7時間乾燥した後、大気中、400℃で5時間仮焼してスズ含有セリア-ジルコニア固溶体を得た。その後、前記固溶体を、篩分けにより粒径が75μm以下となるように粉砕機(アズワン株式会社製「ワンダーブレンダー」)を用いて粉砕し、セリウムとジルコニウムとスズの含有比率が原子比([Ce]:[Zr]:[Sn])で50:49.5:0.5であるスズ含有セリア-ジルコニア固溶体粉末を得た。このスズ含有セリア-ジルコニア固溶体粉末における、セリウムとジルコニウムとの合計量に対するスズの含有比率(Sn/(Ce+Zr)×100)は0.5at%であり、セリウムとジルコニウムとの総モル数に対するジルコニウムのモル分率(Zr/(Ce+Zr)×100)は49.7%である。
Example 1
First, 245.7 g of an aqueous solution of cerium nitrate having a concentration of 28% by mass in terms of CeO2 , 270.6 g of an aqueous solution of zirconium nitrate having a concentration of 18% by mass in terms of ZrO2 , and an aqueous solution in which 1.4 g of tin chloride pentahydrate was dissolved in 100 ml of pure water were mixed, and the resulting mixed solution was added to a solution in which 163.2 g of 25% ammonia water was diluted with 400 ml of pure water, and the mixture was stirred at 1000 rpm for 10 minutes using a homogenizer (manufactured by AS ONE Corporation) to generate a coprecipitate. The resulting coprecipitate was dried in the air at 150 ° C. for 7 hours using a degreasing furnace, and then calcined in the air at 400 ° C. for 5 hours to obtain a tin-containing ceria-zirconia solid solution. The solid solution was then pulverized using a pulverizer ("Wonder Blender" manufactured by AS ONE Corporation) so that the particle size was 75 μm or less by sieving, thereby obtaining a tin-containing ceria-zirconia solid solution powder having an atomic ratio ([Ce]:[Zr]:[Sn]) of cerium, zirconium, and tin of 50:49.5:0.5. In this tin-containing ceria-zirconia solid solution powder, the content ratio of tin to the total amount of cerium and zirconium (Sn/(Ce+Zr)×100) was 0.5 at%, and the molar fraction of zirconium to the total number of moles of cerium and zirconium (Zr/(Ce+Zr)×100) was 49.7%.

次に、このスズ含有セリア-ジルコニア固溶体粉末20gを、ポリエチレン製のバッグ(容量0.05L)に詰め、内部を脱気した後、前記バッグの口を加熱してシールした。続いて、静水圧プレス装置(日機装株式会社製「CK4-22-60」)を用いて、前記バッグに対して3000kgf/cm(294MPa)の圧力(成型圧力)で1分間、冷間静水圧プレス(CIP)を行い、スズ含有セリア-ジルコニア固溶体粉末の成型体を得た。成型体のサイズは、縦20mm、横20mm、平均厚み3mm、質量約10gとした。 Next, 20 g of this tin-containing ceria-zirconia solid solution powder was packed into a polyethylene bag (volume 0.05 L), the inside was degassed, and the mouth of the bag was heated and sealed. Next, using an isostatic press device ("CK4-22-60" manufactured by Nikkiso Co., Ltd.), the bag was subjected to cold isostatic pressing (CIP) at a pressure (molding pressure) of 3000 kgf/cm 2 (294 MPa) for 1 minute to obtain a molded body of the tin-containing ceria-zirconia solid solution powder. The size of the molded body was 20 mm long, 20 mm wide, 3 mm average thickness, and about 10 g in mass.

次いで、得られた成型体を、小型真空加圧焼結炉(富士電波工業株式会社製「FVPS-R-150」)に投入し、アルゴン雰囲気に置換した後、昇温時聞1時間で1000℃まで加熱した後、昇温時間4時聞で1700℃(還元処理温度)まで加熱して5時間保持し、その後、冷却時間4時間で1000℃まで冷却した後、自然放冷で室温まで冷却して還元処理品を得た。 The resulting molded body was then placed in a small vacuum pressure sintering furnace (FVPS-R-150 manufactured by Fuji Electric Industrial Co., Ltd.) and replaced with an argon atmosphere. It was then heated to 1000°C over a 1-hour heating period, then heated to 1700°C (reduction treatment temperature) over a 4-hour heating period and held at that temperature for 5 hours. It was then cooled to 1000°C over a 4-hour cooling period, and then naturally cooled to room temperature to obtain a reduced product.

得られた還元処理品を大気中、500℃で5時間加熱してスズ含有セリア-ジルコニア複合酸化物を得た。このスズ含有セリア-ジルコニア複合酸化物を、粒径が75μm以下となるように、前記粉砕機を用いて粉砕し、セリウムとジルコニウムとスズの含有比率が原子比([Ce]:[Zr]:[Sn])で50:49.5:0.5であるスズ含有セリア-ジルコニア複合酸化物粉末を得た。このスズ含有セリア-ジルコニア複合酸化物粉末における、セリウムとジルコニウムとの合計量に対するスズの含有比率(Sn/(Ce+Zr)×100)は0.5at%であり、セリウムとジルコニウムとの総モル数に対するジルコニウムのモル分率(X=Zr/(Ce+Zr)×100)はX=49.7%である。 The resulting reduction product was heated in air at 500°C for 5 hours to obtain a tin-containing ceria-zirconia composite oxide. This tin-containing ceria-zirconia composite oxide was pulverized using the pulverizer so that the particle size was 75 μm or less, and a tin-containing ceria-zirconia composite oxide powder was obtained in which the atomic ratio of cerium, zirconium, and tin ([Ce]:[Zr]:[Sn]) was 50:49.5:0.5. In this tin-containing ceria-zirconia composite oxide powder, the tin content ratio (Sn/(Ce+Zr)×100) relative to the total amount of cerium and zirconium was 0.5 at%, and the molar fraction of zirconium relative to the total number of moles of cerium and zirconium (X=Zr/(Ce+Zr)×100) was X=49.7%.

(実施例2)
前記硝酸ジルコニウム水溶液の量を267.9gに変更し、前記塩化スズ5水和物の代わりに硝酸スカンジウム4水和物2.4gを用いた以外は実施例1と同様にして、セリウムとジルコニウムとスカンジウムの含有比率が原子比([Ce]:[Zr]:[Sc])で50:49:1であるスカンジウム含有セリア-ジルコニア複合酸化物粉末を得た。このスカンジウム含有セリア-ジルコニア複合酸化物粉末における、セリウムとジルコニウムとの合計量に対するスカンジウムの含有比率(Sc/(Ce+Zr)×100)は1.0at%であり、セリウムとジルコニウムとの総モル数に対するジルコニウムのモル分率(X=Zr/(Ce+Zr)×100)はX=49.5%である。
Example 2
A scandium-containing ceria-zirconia composite oxide powder having an atomic ratio ([Ce]:[Zr]:[Sc]) of cerium, zirconium, and scandium was obtained in the same manner as in Example 1, except that the amount of the zirconium nitrate aqueous solution was changed to 267.9 g and 2.4 g of scandium nitrate tetrahydrate was used instead of the tin chloride pentahydrate. In this scandium-containing ceria-zirconia composite oxide powder, the content ratio of scandium to the total amount of cerium and zirconium (Sc/(Ce+Zr)×100) was 1.0 at%, and the molar fraction of zirconium to the total number of moles of cerium and zirconium (X=Zr/(Ce+Zr)×100) was X=49.5%.

(実施例3)
前記硝酸ジルコニウム水溶液の量を259.7gに、前記硝酸スカンジウム4水和物の量を6.1gに変更した以外は実施例2と同様にして、セリウムとジルコニウムとスカンジウムの含有比率が原子比([Ce]:[Zr]:[Sc])で50:47.5:2.5であるスカンジウム含有セリア-ジルコニア複合酸化物粉末を得た。このスカンジウム含有セリア-ジルコニア複合酸化物粉末における、セリウムとジルコニウムとの合計量に対するスカンジウムの含有比率(Sc/(Ce+Zr)×100)は2.6at%であり、セリウムとジルコニウムとの総モル数に対するジルコニウムのモル分率(X=Zr/(Ce+Zr)×100)はX=48.7%である。
Example 3
A scandium-containing ceria-zirconia composite oxide powder having an atomic ratio ([Ce]:[Zr]:[Sc]) of cerium, zirconium, and scandium was obtained in the same manner as in Example 2, except that the amount of the zirconium nitrate aqueous solution was changed to 259.7 g and the amount of the scandium nitrate tetrahydrate was changed to 6.1 g. In this scandium-containing ceria-zirconia composite oxide powder, the content ratio of scandium to the total amount of cerium and zirconium (Sc/(Ce+Zr)×100) was 2.6 at%, and the molar fraction of zirconium to the total number of moles of cerium and zirconium (X=Zr/(Ce+Zr)×100) was X=48.7%.

(実施例4)
先ず、CeO換算で28質量%となる濃度の硝酸セリウム水溶液258.6gと、ZrO換算で18質量%となる濃度の硝酸ジルコニウム水溶液258.9gとを混合し、得られた混合溶液を、25%アンモニア水164.9gを純水500mlで希釈した溶液に添加し、ホモジナイザ(アズワン株式会社製)を用いて1000rpmで10分間撹拌して共沈物を生成させた。得られた共沈物を、脱脂炉を用いて大気中、150℃で7時間乾燥した後、大気中、400℃で5時間仮焼してセリア-ジルコニア固溶体粉末を得た。この固溶体粉末9.8gに、Sc換算で0.2gとなるように硝酸スカンジウム4水和物1.1gを添加し、110℃で12時間蒸発乾固させた。得られた乾固物を大気中、700℃で5時間焼成した後、篩分けにより粒径が75μm以下となるように粉砕機(アズワン株式会社製「ワンダーブレンダー」)を用いて粉砕して、セリウムとジルコニウムとスカンジウムの含有比率が原子比([Ce]:[Zr]:[Sc])で50:45:5であるスカンジウム含有セリア-ジルコニア固溶体粉末を得た。このスカンジウム含有セリア-ジルコニア固溶体粉末における、セリウムとジルコニウムとの合計量に対するスカンジウムの含有比率(Sc/(Ce+Zr)×100)は5.3at%であり、セリウムとジルコニウムとの総モル数に対するジルコニウムのモル分率(Zr/(Ce+Zr)×100)は47.4%である。
Example 4
First, 258.6 g of an aqueous solution of cerium nitrate having a concentration of 28% by mass in terms of CeO2 was mixed with 258.9 g of an aqueous solution of zirconium nitrate having a concentration of 18% by mass in terms of ZrO2 . The resulting mixed solution was added to a solution obtained by diluting 164.9 g of 25% aqueous ammonia with 500 ml of pure water, and the mixture was stirred at 1000 rpm for 10 minutes using a homogenizer (manufactured by AS ONE Corporation) to generate a coprecipitate. The resulting coprecipitate was dried in air at 150°C for 7 hours using a degreasing furnace, and then calcined in air at 400°C for 5 hours to obtain a ceria-zirconia solid solution powder. 1.1 g of scandium nitrate tetrahydrate was added to 9.8 g of this solid solution powder so that the amount was 0.2 g in terms of Sc2O3 , and the mixture was evaporated to dryness at 110°C for 12 hours. The resulting dried product was fired in air at 700°C for 5 hours, and then pulverized using a pulverizer ("Wonder Blender" manufactured by AS ONE Corporation) so that the particle size was 75 µm or less by sieving, to obtain a scandium-containing ceria-zirconia solid solution powder having an atomic ratio ([Ce]:[Zr]:[Sc]) of cerium, zirconium, and scandium. In this scandium-containing ceria-zirconia solid solution powder, the content ratio of scandium to the total amount of cerium and zirconium (Sc/(Ce+Zr)×100) was 5.3 at%, and the molar fraction of zirconium to the total number of moles of cerium and zirconium (Zr/(Ce+Zr)×100) was 47.4%.

次に、前記スズ含有セリア-ジルコニア固溶体粉末の代わりに前記スカンジウム含有セリア-ジルコニア固溶体粉末10gを用いた以外は実施例1と同様にして、セリウムとジルコニウムとスカンジウムの含有比率が原子比([Ce]:[Zr]:[Sc])で50:45:5であるスカンジウム含有セリア-ジルコニア複合酸化物粉末を得た。このスカンジウム含有セリア-ジルコニア複合酸化物粉末における、セリウムとジルコニウムとの合計量に対するスカンジウムの含有比率(Sc/(Ce+Zr)×100)は5.3at%であり、セリウムとジルコニウムとの総モル数に対するジルコニウムのモル分率(X=Zr/(Ce+Zr)×100)はX=47.4%である。 Next, a scandium-containing ceria-zirconia composite oxide powder was obtained in which the atomic ratio of cerium, zirconium, and scandium ([Ce]:[Zr]:[Sc]) was 50:45:5, in terms of atomic ratio. In this scandium-containing ceria-zirconia composite oxide powder, the content ratio of scandium to the total amount of cerium and zirconium (Sc/(Ce+Zr)×100) was 5.3 at%, and the molar fraction of zirconium to the total number of moles of cerium and zirconium (X=Zr/(Ce+Zr)×100) was X=47.4%.

(実施例5)
硝酸スカンジウム4水和物の代わりに硝酸マグネシウム6水和物5.1gを用いた以外は実施例3と同様にして、セリウムとジルコニウムとマグネシウムの含有比率が原子比([Ce]:[Zr]:[Mg])で50:47.5:2.5であるマグネシウム含有セリア-ジルコニア複合酸化物粉末を得た。このマグネシウム含有セリア-ジルコニア複合酸化物粉末における、セリウムとジルコニウムとの合計量に対するマグネシウムの含有比率(Mg/(Ce+Zr)×100)は2.6at%であり、セリウムとジルコニウムとの総モル数に対するジルコニウムのモル分率(X=Zr/(Ce+Zr)×100)はX=48.7%である。
Example 5
A magnesium-containing ceria-zirconia composite oxide powder having an atomic ratio ([Ce]:[Zr]:[Mg]) of 50:47.5:2.5 of cerium, zirconium, and magnesium was obtained in the same manner as in Example 3, except that 5.1 g of magnesium nitrate hexahydrate was used instead of scandium nitrate tetrahydrate. In this magnesium-containing ceria-zirconia composite oxide powder, the content ratio of magnesium to the total amount of cerium and zirconium (Mg/(Ce+Zr)×100) was 2.6 at%, and the molar fraction of zirconium to the total number of moles of cerium and zirconium (X=Zr/(Ce+Zr)×100) was X=48.7%.

(実施例6)
硝酸スカンジウム4水和物の代わりに硝酸マグネシウム6水和物0.9gを用いた以外は実施例4と同様にして、セリウムとジルコニウムとマグネシウムの含有比率が原子比([Ce]:[Zr]:[Mg])で50:45:5であるマグネシウム含有セリア-ジルコニア複合酸化物粉末を得た。このマグネシウム含有セリア-ジルコニア複合酸化物粉末における、セリウムとジルコニウムとの合計量に対するマグネシウムの含有比率(Mg/(Ce+Zr)×100)は5.3at%であり、セリウムとジルコニウムとの総モル数に対するジルコニウムのモル分率(X=Zr/(Ce+Zr)×100)はX=47.4%である。
Example 6
A magnesium-containing ceria-zirconia composite oxide powder having an atomic ratio ([Ce]:[Zr]:[Mg]) of 50:45:5 of cerium, zirconium and magnesium was obtained in the same manner as in Example 4, except that 0.9 g of magnesium nitrate hexahydrate was used instead of scandium nitrate tetrahydrate. In this magnesium-containing ceria-zirconia composite oxide powder, the content ratio of magnesium to the total amount of cerium and zirconium (Mg/(Ce+Zr)×100) was 5.3 at%, and the molar fraction of zirconium to the total number of moles of cerium and zirconium (X=Zr/(Ce+Zr)×100) was X=47.4%.

(比較例1)
前記硝酸ジルコニウム水溶液の量を273.4gに変更し、前記塩化スズ5水和物を添加しなかった以外は実施例1と同様にして、セリウムとジルコニウムと添加金属元素Mの含有比率が原子比([Ce]:[Zr]:[M])で50:50:0であるセリア-ジルコニア複合酸化物粉末を得た。このセリア-ジルコニア複合酸化物粉末における、セリウムとジルコニウムとの合計量に対する添加金属元素Mの含有比率(M/(Ce+Zr)×100)は0at%であり、セリウムとジルコニウムとの総モル数に対するジルコニウムのモル分率(X=Zr/(Ce+Zr)×100)はX=50%である。
(Comparative Example 1)
A ceria-zirconia composite oxide powder having a content ratio of cerium, zirconium, and added metal element M of 50:50:0 in atomic ratio ([Ce]:[Zr]:[M]) was obtained in the same manner as in Example 1, except that the amount of the zirconium nitrate aqueous solution was changed to 273.4 g and the tin chloride pentahydrate was not added. In this ceria-zirconia composite oxide powder, the content ratio of added metal element M to the total amount of cerium and zirconium (M/(Ce+Zr)×100) was 0 at %, and the molar fraction of zirconium to the total number of moles of cerium and zirconium (X=Zr/(Ce+Zr)×100) was X=50%.

(比較例2)
前記硝酸ジルコニウム水溶液の量を218.7gに変更し、前記塩化スズ5水和物の代わりにオキシ硝酸チタン(TiO(NO)水溶液15.0g(Ti含有量:0.08モル)を用いた以外は実施例1と同様にして、セリウムとジルコニウムとチタンの含有比率が原子比([Ce]:[Zr]:[Ti])で50:40:10であるチタン含有セリア-ジルコニア複合酸化物粉末を得た。このチタン含有セリア-ジルコニア複合酸化物粉末における、セリウムとジルコニウムとの合計量に対するチタンの含有比率(Ti/(Ce+Zr)×100)は11.1at%であり、セリウムとジルコニウムとの総モル数に対するジルコニウムのモル分率(X=Zr/(Ce+Zr)×100)はX=44.4%である。
(Comparative Example 2)
A titanium-containing ceria-zirconia composite oxide powder having an atomic ratio ([Ce]:[ Zr ]:[Ti]) of 50:40:10 of cerium, zirconium and titanium was obtained in the same manner as in Example 1, except that the amount of the zirconium nitrate aqueous solution was changed to 218.7 g and 15.0 g (Ti content: 0.08 mol) of a titanium oxynitrate (TiO(NO3)2) aqueous solution was used instead of the tin chloride pentahydrate. In this titanium-containing ceria-zirconia composite oxide powder, the titanium content ratio (Ti/(Ce+Zr)×100) to the total amount of cerium and zirconium was 11.1 at%, and the molar fraction of zirconium to the total number of moles of cerium and zirconium (X=Zr/(Ce+Zr)×100) was X=44.4%.

(比較例3)
前記硝酸セリウム水溶液の量を273.0gに、前記硝酸ジルコニウム水溶液の量を243.0gに、前記25%アンモニア水の量を166.8gに変更した以外は実施例4と同様にして、セリア-ジルコニア固溶体粉末を得た。この固溶体粉末9.8gに、Sc換算で0.5gとなるように硝酸スカンジウム4水和物2.1gを添加した以外は実施例4と同様にして、セリウムとジルコニウムとスカンジウムの含有比率が原子比([Ce]:[Zr]:[Sc])で50:40:10であるスカンジウム含有セリア-ジルコニア複合酸化物粉末を得た。このスカンジウム含有セリア-ジルコニア複合酸化物粉末における、セリウムとジルコニウムとの合計量に対するスカンジウムの含有比率(Sc/(Ce+Zr)×100)は11.1at%であり、セリウムとジルコニウムとの総モル数に対するジルコニウムのモル分率(Zr/(Ce+Zr)×100)はX=44.4%である。
(Comparative Example 3)
A ceria-zirconia solid solution powder was obtained in the same manner as in Example 4, except that the amount of the cerium nitrate aqueous solution was changed to 273.0 g, the amount of the zirconium nitrate aqueous solution was changed to 243.0 g, and the amount of the 25 % ammonia water was changed to 166.8 g. A scandium-containing ceria-zirconia composite oxide powder having a content ratio of cerium, zirconium, and scandium of 50:40:10 in atomic ratio ([Ce]:[ Zr ]:[Sc]) was obtained in the same manner as in Example 4, except that 2.1 g of scandium nitrate tetrahydrate was added to 9.8 g of this solid solution powder so as to give 0.5 g in terms of Sc2O3. In this scandium-containing ceria-zirconia composite oxide powder, the content ratio of scandium to the total amount of cerium and zirconium (Sc/(Ce+Zr)×100) was 11.1 at%, and the molar fraction of zirconium to the total number of moles of cerium and zirconium (Zr/(Ce+Zr)×100) was X=44.4%.

(比較例4)
硝酸スカンジウム4水和物の代わりに硝酸マグネシウム6水和物1.8gを添加した以外は比較例3と同様にして、セリウムとジルコニウムとマグネシウムの含有比率が原子比([Ce]:[Zr]:[Mg])で50:40:10であるマグネシウム含有セリア-ジルコニア複合酸化物粉末を得た。このマグネシウム含有セリア-ジルコニア複合酸化物粉末における、セリウムとジルコニウムとの合計量に対するマグネシウムの含有比率(Mg/(Ce+Zr)×100)は11.1at%であり、セリウムとジルコニウムとの総モル数に対するジルコニウムのモル分率(X=Zr/(Ce+Zr)×100)はX=44.4%である。
(Comparative Example 4)
A magnesium-containing ceria-zirconia composite oxide powder having an atomic ratio ([Ce]:[Zr]:[Mg]) of 50:40:10 of cerium, zirconium and magnesium was obtained in the same manner as in Comparative Example 3, except that 1.8 g of magnesium nitrate hexahydrate was added instead of scandium nitrate tetrahydrate. In this magnesium-containing ceria-zirconia composite oxide powder, the content ratio of magnesium to the total amount of cerium and zirconium (Mg/(Ce+Zr)×100) was 11.1 at%, and the molar fraction of zirconium to the total number of moles of cerium and zirconium (X=Zr/(Ce+Zr)×100) was X=44.4%.

<高温耐久試験>
実施例及び比較例で得られた複合酸化物粉末を大気中、1100℃で5時間加熱した。
<High temperature durability test>
The composite oxide powders obtained in the Examples and Comparative Examples were heated in air at 1100° C. for 5 hours.

<X線回折(XRD)測定>
実施例及び比較例で得られた高温耐久試験前及び高温耐久試験後の各複合酸化物粉末のX線回折パターンを、X線回折装置(株式会社リガク製「RINT-Ultima」)を用い、CuKα線をX線源として、管電圧40KV、管電流40mA、走査速度2θ=10°/minの条件で測定した。
<X-ray diffraction (XRD) measurement>
The X-ray diffraction patterns of each composite oxide powder obtained in the Examples and Comparative Examples before and after the high-temperature durability test were measured using an X-ray diffractometer (Rigaku Corporation, "RINT-Ultima") under conditions of a tube voltage of 40 KV, a tube current of 40 mA, and a scanning speed of 2θ = 10°/min, using CuKα radiation as the X-ray source.

得られたX線回折パターンに対して、リートベルト解析ソフト「Jana2006」を用いて最小二乗法によるフィッティングを行い、格子定数を精密化した。得られた格子定数を表1に示す。 The obtained X-ray diffraction pattern was fitted by the least squares method using the Rietveld analysis software "Jana2006" to refine the lattice constants. The obtained lattice constants are shown in Table 1.

また、得られたX線回折パターンにおいて、2θ=14.5°付近の回折線のピーク強度I(14)と2θ=29°付近の回折線のピーク強度I(29)との比〔I(14/29)=I(14)/I(29)〕を求めた。その結果を表1に示す。 In addition, in the obtained X-ray diffraction pattern, the ratio of the peak intensity I(14) of the diffraction line near 2θ=14.5° to the peak intensity I(29) of the diffraction line near 2θ=29° [I(14/29)=I(14)/I(29)] was calculated. The results are shown in Table 1.

<触媒調製>
実施例及び比較例で得られた高温耐久試験後の各複合酸化物粉末にジニトロジアンミン白金(II)酸溶液を含浸させた後、蒸発乾固させ、さらに、得られた乾固物を300℃で3時間焼成して前記添加金属元素含有複合酸化物粉末に白金(Pt)が担持した触媒粉末(Pt担持量:1質量%)を調製した。
<Catalyst preparation>
Each of the composite oxide powders obtained in the Examples and Comparative Examples after the high-temperature durability test was impregnated with a dinitrodiammineplatinum(II) acid solution, evaporated to dryness, and then calcined at 300° C. for 3 hours to prepare a catalyst powder in which platinum (Pt) was supported on the composite oxide powder containing the added metal element (Pt supported amount: 1% by mass).

<酸素放出量測定>
上記のようにして調製した各触媒粉末15mgを熱重量測定装置(株式会社島津製作所製「TGA-50」)に装入し、この触媒粉末に、温度250リッチガス(H(5容量%)+N(残部))とリーンガス(O(5容量%)+N(残部))とを5分毎に交互に切替えながら、ガス流量100ml/minで流通させ、この間の前記触媒粉末の質量の増減を測定した。2回目と3回目のリッチガス流通時の前記触媒粉末の質量減少量の平均値を求め、これを酸素放出量(実測値)とした。前記触媒粉末中のセリウム量に基づく最大の酸素放出量(理論値)に対する前記酸素放出量(実測値)の割合を求め、これを酸素貯蔵材料(OSC材)利用率とした。その結果を表1に示す。
<Oxygen release measurement>
15 mg of each catalyst powder prepared as described above was placed in a thermogravimetric measuring device (Shimadzu Corporation's "TGA-50"), and a rich gas (H 2 (5% by volume) + N 2 (balance)) with a temperature of 250 and a lean gas (O 2 (5% by volume) + N 2 (balance)) were alternately passed through the catalyst powder at a gas flow rate of 100 ml/min every 5 minutes, and the increase or decrease in the mass of the catalyst powder during this period was measured. The average value of the mass loss of the catalyst powder during the second and third rich gas passes was calculated and used as the oxygen release amount (measured value). The ratio of the oxygen release amount (measured value) to the maximum oxygen release amount (theoretical value) based on the amount of cerium in the catalyst powder was calculated and used as the oxygen storage material (OSC material) utilization rate. The results are shown in Table 1.

表1に示したI(14/29)値から、実施例1~6及び比較例1~4で得られた酸素貯蔵材料はパイロクロア型セリア-ジルコニア複合酸化物を含有するものであることが確認された。 From the I(14/29) values shown in Table 1, it was confirmed that the oxygen storage materials obtained in Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 4 contain pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide.

また、表1に示した結果に基づいて、格子定数及びI(14/29)値をジルコニウムのモル分率Xに対してプロットした。これらの結果を図1~2に示す。なお、図1中の直線は、下記式(1a):
格子定数(Y1)=-9.69×10-3X+11.009 (1a)
で表される、酸素貯蔵材料粉末の格子定数(Y1)と、セリウムとジルコニウムとの総モル数に対するジルコニウムのモル分率(X=Zr/(Ce+Zr)×100)との関係を示したものである。また、図2中の直線は、下記式(2a):
I(14/29)値(Y2)=5.15×10-3X-0.196 (2a)
で表される、酸素貯蔵材料粉末のI(14/29)値(Y2)と、セリウムとジルコニウムとの総モル数に対するジルコニウムのモル分率(X=Zr/(Ce+Zr)×100)との関係を示したものである。
Based on the results shown in Table 1, the lattice constant and I(14/29) value were plotted against the zirconium mole fraction X. These results are shown in Figures 1 and 2. The straight line in Figure 1 corresponds to the following formula (1a):
Lattice constant (Y1) = -9.69 x 10 -3 X + 11.009 (1a)
2 shows the relationship between the lattice constant (Y1) of the oxygen storage material powder, which is represented by the formula (2a): and the molar fraction of zirconium relative to the total number of moles of cerium and zirconium (X=Zr/(Ce+Zr)×100). The straight line in FIG. 2 is expressed by the formula (2a):
I(14/29) value (Y2) = 5.15 × 10 −3 × − 0.196 (2a)
1 shows the relationship between the I(14/29) value (Y2) of the oxygen storage material powder and the molar fraction of zirconium relative to the total mole number of cerium and zirconium (X=Zr/(Ce+Zr)×100).

さらに、高温耐久試験後の各複合酸化物粉末について、触媒粉末のOSC材利用率をジルコニウムのモル分率Xに対してプロットした。これらの結果を図3に示す。 Furthermore, for each composite oxide powder after the high-temperature durability test, the OSC material utilization rate of the catalyst powder was plotted against the zirconium mole fraction X. These results are shown in Figure 3.

図1~2に示したように、前記添加金属元素(M=Sn、Sc又はMg)の含有比率(M/(Ce+Zr)×100)及びジルコニウムのモル分率(Zr/(Ce+Zr)×100)が所定の範囲内にある前記添加金属元素含有セリア-ジルコニア固溶体粉末を加圧成形し、得られた成型体を還元処理し、さらに酸化処理することによって得られた前記添加金属元素含有セリア-ジルコニア複合酸化物粉末(実施例1~6)は、高温耐久試験前及び高温耐久試験後のいずれにおいても、格子定数が前記式(1)で表される条件を満たし、かつ、I(14/29)値が前記式(2)で表される条件を満たしていたことから、前記添加金属原子がパイロクロア型セリア-ジルコニア複合酸化物の格子中に十分に固溶していることがわかった。 As shown in Figures 1 and 2, the additive metal element-containing ceria-zirconia solid solution powder, in which the content ratio (M/(Ce+Zr) x 100) of the additive metal element (M = Sn, Sc, or Mg) and the molar fraction (Zr/(Ce+Zr) x 100) of zirconium are within a predetermined range, is pressure-molded, the resulting molded body is reduced, and then oxidized to obtain the additive metal element-containing ceria-zirconia composite oxide powder (Examples 1 to 6). Both before and after the high-temperature durability test, the lattice constant of the powder satisfies the condition represented by formula (1), and the I(14/29) value satisfies the condition represented by formula (2). This indicates that the additive metal atoms are sufficiently dissolved in the lattice of the pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide.

なお、通常、前記添加金属元素を含有していないパイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物に、Zr4+よりもイオン半径が大きいSc3+を固溶させると、CeサイトとZrサイトとのイオン半径差が小さくなるため、I(14/29)値は小さくなるが、実施例3においては、高温耐久試験前のI(14/29)値が比較例1に比べて大きくなった。この理由については必ずしも定かではないが、本発明者らは以下のように考察する。すなわち、実施例3においては、Ceの一部が還元された可能性が考えられる。この還元により、Ce4+(イオン半径:0.97Å)がCe3+(イオン半径:1.14Å)となったため、CeサイトとZrサイトとのイオン半径差が大きくなった部分が存在し、このイオン半径差の増大によりI(14/29)値が増大する効果とSc3+の固溶によりI(14/29)値が減少する効果とが競合したと考えられる。その結果、高温耐久試験前のI(14/29)値が、前記式(2a)により求められる値よりも小さく、かつ、比較例1に比べて大きくなったと考えられる。 In addition, when Sc 3+ , which has an ionic radius larger than Zr 4+ , is dissolved in a pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide not containing the additive metal element, the ionic radius difference between the Ce site and the Zr site becomes smaller, and the I(14/29) value becomes smaller. However, in Example 3, the I(14/29) value before the high-temperature durability test was larger than that of Comparative Example 1. The reason for this is not necessarily clear, but the inventors consider it as follows. That is, in Example 3, it is considered that a part of Ce was reduced. As a result of this reduction, Ce 4+ (ionic radius: 0.97 Å) became Ce 3+ (ionic radius: 1.14 Å), and therefore there existed a part where the ionic radius difference between the Ce site and the Zr site became larger, and it is considered that the effect of increasing the I(14/29) value due to the increase in the ionic radius difference and the effect of decreasing the I(14/29) value due to the solid solution of Sc 3+ competed with each other. As a result, it is believed that the I(14/29) value before the high-temperature durability test was smaller than the value calculated by the above formula (2a) and was larger than that of Comparative Example 1.

一方、チタン含有セリア-ジルコニア固溶体粉末を加圧成形し、得られた成型体を還元処理し、さらに酸化処理することによって得られたチタン含有セリア-ジルコニア複合酸化物粉末(比較例2)は、高温耐久試験前及び高温耐久試験後のいずれにおいても、格子定数が前記式(1)で表される条件を満たしていたが、高温耐久試験前のI(14/29)値が前記式(2)で表される条件を満たしていなかった。これは、Ti4+のイオン半径がZr4+のイオン半径に比べて非常に小さく、CeサイトとZrサイトとのイオン半径差が大きくなったためと考えられる。なお、比較例2で得られたチタン含有セリア-ジルコニア複合酸化物粉末においては、高温耐久試験後のI(14/29)値が前記式(2a)により求められるI(14/29)値に比べて小さくなったが、これは、高温耐久試験によってチタン原子がパイロクロア型セリア-ジルコニア複合酸化物中に固溶したためではなく、固溶していないチタン原子によってセリアの分相が促進され、パイロクロア型セリア-ジルコニア複合酸化物の安定性が低下したためと考えられる。 On the other hand, a titanium-containing ceria-zirconia composite oxide powder (Comparative Example 2) obtained by pressure molding a titanium-containing ceria-zirconia solid solution powder, reducing the obtained molded body, and further oxidizing it had a lattice constant that satisfied the condition represented by the above formula (1) both before and after the high-temperature durability test, but the I(14/29) value before the high-temperature durability test did not satisfy the condition represented by the above formula (2). This is thought to be because the ionic radius of Ti4 + is much smaller than the ionic radius of Zr4 + , resulting in a large difference in ionic radius between the Ce site and the Zr site. In the titanium-containing ceria-zirconia composite oxide powder obtained in Comparative Example 2, the I(14/29) value after the high-temperature durability test was smaller than the I(14/29) value calculated from the above formula (2a). This is not because titanium atoms were dissolved in the pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide as a result of the high-temperature durability test, but is believed to be due to the fact that the phase separation of ceria was promoted by the titanium atoms that were not dissolved, resulting in a decrease in the stability of the pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide.

また、前記添加金属元素Mの含有比率(M/(Ce+Zr)×100)が所定の範囲よりも大きい前記添加金属元素含有セリア-ジルコニア固溶体粉末を加圧成形し、得られた成型体を還元処理し、さらに酸化処理することによって得られた前記添加金属元素含有セリア-ジルコニア複合酸化物粉末(比較例3、4)は、高温耐久試験前及び高温耐久試験後のいずれにおいても、格子定数が前記式(1)で表される条件を満たしていたが、高温耐久試験前のI(14/29)値が前記式(2)で表される条件を満たしていなかったことから、前記添加金属原子はパイロクロア型セリア-ジルコニア複合酸化物の格子中に十分に固溶していないと考えられる。なお、比較例3、4で得られた前記添加金属元素含有セリア-ジルコニア複合酸化物粉末においては、実施例2~4及び実施例5~6に比べて、添加金属元素の増加量に対する格子定数の増加割合が小さくなったが、これは、固溶していない前記添加金属原子によってセリア-ジルコニア複合酸化物粉末からセリアが分相したためと考えられる。また、比較例3、4で得られた前記添加金属元素含有セリア-ジルコニア複合酸化物粉末においては、高温耐久試験後のI(14/29)値が前記式(2a)により求められるI(14/29)値に比べて小さくなったが、これは、高温耐久試験によって前記添加金属原子がパイロクロア型セリア-ジルコニア複合酸化物中に固溶したためではなく、固溶していない前記添加金属原子によってセリアの分相が促進され、パイロクロア型セリア-ジルコニア複合酸化物の安定性が低下したためと考えられる。 In addition, the ceria-zirconia composite oxide powder containing the added metal element (Comparative Examples 3 and 4) obtained by pressure molding the ceria-zirconia solid solution powder containing the added metal element M having a content ratio (M/(Ce+Zr)×100) greater than a predetermined range, reducing the obtained molded body, and further oxidizing it had a lattice constant that satisfied the condition represented by the formula (1) both before and after the high-temperature durability test, but the I(14/29) value before the high-temperature durability test did not satisfy the condition represented by the formula (2), so it is considered that the added metal atoms are not sufficiently dissolved in the lattice of the pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide. In the ceria-zirconia composite oxide powder containing the added metal element obtained in Comparative Examples 3 and 4, the increase rate of the lattice constant relative to the increase in the amount of the added metal element was smaller than in Examples 2 to 4 and Examples 5 to 6. This is considered to be due to the phase separation of ceria from the ceria-zirconia composite oxide powder by the added metal atoms that were not dissolved. In addition, in the ceria-zirconia composite oxide powders containing the added metal elements obtained in Comparative Examples 3 and 4, the I(14/29) value after the high-temperature durability test was smaller than the I(14/29) value calculated by the formula (2a). This is not because the added metal atoms were dissolved in the pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide by the high-temperature durability test, but rather because the phase separation of ceria was promoted by the added metal atoms that were not dissolved, reducing the stability of the pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide.

図3に示したように、高温耐久試験後において、前記添加金属原子(Sn、Sc又はMg)がパイロクロア型セリア-ジルコニア複合酸化物の格子中に十分に固溶している複合酸化物粉末からなる酸素貯蔵材料粉末(すなわち、前記式(1)及び(2)で表されるいずれの条件も満たしている酸素貯蔵材料粉末)を含有する触媒粉末は、前記添加金属原子を含有していないパイロクロア型セリア-ジルコニア複合酸化物からなる酸素貯蔵材料粉末を含有する触媒粉末(比較例1)、Zr4+に比べてイオン半径が非常に小さいチタン原子がパイロクロア型セリア-ジルコニア複合酸化物の格子中に固溶し、かつ、固溶していないチタン原子によってセリアの分相が促進され、パイロクロア型セリア-ジルコニア複合酸化物の安定性が低下した複合酸化物粉末からなる酸素貯蔵材料粉末を含有する触媒粉末(比較例2)、並びに、前記添加金属原子がパイロクロア型セリア-ジルコニア複合酸化物の格子中に十分に固溶していない複合酸化物粉末からなる酸素貯蔵材料粉末(すなわち、高温耐久試験前において、前記式(2)で表される条件を満たしていない酸素貯蔵材料粉末)を含有する触媒粉末(比較例3、4)に比べて、酸素貯蔵材料(OSC材)利用率が高くなることがわかった。 As shown in FIG. 3, after the high-temperature durability test, the catalyst powder containing the oxygen storage material powder made of a composite oxide powder in which the added metal atoms (Sn, Sc, or Mg) are sufficiently dissolved in the lattice of the pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide (i.e., the oxygen storage material powder satisfying both of the conditions represented by the formulas (1) and (2)) was superior to the catalyst powder containing the oxygen storage material powder made of a pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide not containing the added metal atoms (Comparative Example 1), Zr It was found that the utilization rate of the oxygen storage material (OSC material) was higher than that of a catalyst powder (Comparative Example 2) containing an oxygen storage material powder made of a composite oxide powder in which titanium atoms, which have an extremely smaller ionic radius than 4+, are solid-solved in the lattice of a pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide, and in which phase separation of ceria is promoted by titanium atoms that are not solid-solved, thereby reducing the stability of the pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide, and than that of a catalyst powder (Comparative Examples 3 and 4) containing an oxygen storage material powder made of a composite oxide powder in which the added metal atoms are not sufficiently solid-solved in the lattice of a pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide (i.e., an oxygen storage material powder that does not satisfy the condition represented by formula (2) before the high-temperature durability test).

以上説明したように、使用初期だけでなく、1100℃程度という高温の排ガスに長時間曝された後においても、約250℃という低温において優れた酸素貯蔵能(OSC)を発現することができ、利用効率が高い酸素貯蔵材料を得ることが可能となる。したがって、本発明の酸素貯蔵材料は、低温での優れた酸素貯蔵能(OSC)と高温耐久性とを併せ持つため、排ガス浄化触媒の担体や助触媒、触媒雰囲気調整材等として有用である。 As explained above, it is possible to obtain an oxygen storage material that exhibits excellent oxygen storage capacity (OSC) at a low temperature of about 250°C, not only at the beginning of use but also after long-term exposure to high-temperature exhaust gases at about 1100°C, and has high utilization efficiency. Therefore, the oxygen storage material of the present invention has both excellent oxygen storage capacity (OSC) at low temperatures and high-temperature durability, and is therefore useful as a support or co-catalyst for exhaust gas purification catalysts, a catalyst atmosphere adjuster, etc.

Claims (4)

パイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物と前記セリア-ジルコニア系複合酸化物に添加されたスズ及びスカンジウムからなる群から選択される少なくとも1種の添加金属元素とを含有する酸素貯蔵材料であって、
セリウム(Ce)とジルコニウム(Zr)との合計量に対する前記添加金属元素(M)の含有比率(M/(Ce+Zr)×100)が0.4~5.5at%であり、
セリウム(Ce)とジルコニウム(Zr)との総モル数に対するジルコニウムのモル分率(X=Zr/(Ce+Zr)×100)がX=44.5~49.9%であり、
大気中、1100℃で加熱する前及び5時間加熱した後の、CuKαを用いたX線回折測定により得られるX線回折パターンから求められる格子定数が下記式(1):
格子定数≦-9.69×10-3X+11.009 (1)
(前記式中、Xは前記ジルコニウムのモル分率を表す)
で表される条件を満たすものであり、
大気中、1100℃で加熱する前及び5時間加熱した後の、CuKαを用いたX線回折測定により得られるX線回折パターンから求められる2θ=14.5°付近の回折線と2θ=29°付近の回折線と強度比〔I(14/29)値〕が下記式(2):
I(14/29)値≦5.15×10-3X-0.196 (2)
(前記式中、Xは前記ジルコニウムのモル分率を表す)
で表される条件を満たすものであることを特徴とする酸素貯蔵材料。
An oxygen storage material containing a pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide and at least one additive metal element selected from the group consisting of tin and scandium added to the ceria-zirconia composite oxide,
The content ratio (M/(Ce+Zr)×100) of the added metal element (M) relative to the total amount of cerium (Ce) and zirconium (Zr) is 0.4 to 5.5 at %,
The mole fraction of zirconium relative to the total mole number of cerium (Ce) and zirconium (Zr) (X=Zr/(Ce+Zr)×100) is X=44.5% to 49.9%;
Before and after heating at 1100° C. in air for 5 hours, the lattice constant calculated from the X-ray diffraction pattern obtained by X-ray diffraction measurement using CuKα is expressed by the following formula (1):
Lattice constant ≦-9.69×10-3X+11.009 (1)
(wherein X represents the mole fraction of zirconium)
The condition expressed by
The intensity ratio [I(14/29) value] of the diffraction line near 2θ=14.5° to the diffraction line near 2θ=29° obtained from the X-ray diffraction pattern obtained by X-ray diffraction measurement using CuKα before and after heating at 1100° C. in air is expressed by the following formula (2):
I(14/29) value≦5.15×10−3X−0.196 (2)
(wherein X represents the mole fraction of zirconium)
The oxygen storage material is characterized in that it satisfies the conditions represented by the formula:
前記ジルコニウムのモル分率XがX=47.0~49.9%であることを特徴とする請求項1に記載の酸素貯蔵材料。 The oxygen storage material according to claim 1, characterized in that the zirconium mole fraction X is X = 47.0 to 49.9%. パイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物と前記セリア-ジルコニア系複合酸化物に添加されたスズ、スカンジウム及びマグネシウムからなる群から選択される少なくとも1種の添加金属元素とを含有する酸素貯蔵材料の製造方法であって、
セリウム(Ce)とジルコニウム(Zr)との合計量に対する前記添加金属元素(M)の含有比率(M/(Ce+Zr)×100)が0.4~5.5at%であり、セリウム(Ce)とジルコニウム(Zr)との総モル数に対するジルコニウムのモル分率(Zr/(Ce+Zr)×100)が44.5~49.9%である前記添加金属元素を含有するセリア-ジルコニア系固溶体粉末を準備する工程と、
前記添加金属元素を含有するセリア-ジルコニア系固溶体粉末を30~350MPaの圧力で加圧成形した後、1400~2000℃の温度条件で還元処理し、さらに酸化処理して請求項1又は2に記載のパイロクロア型セリア-ジルコニア系複合酸化物と前記セリア-ジルコニア系複合酸化物に添加された前記添加金属元素とを含有する酸素貯蔵材料を得る工程と、
を含むことを特徴とする酸素貯蔵材料の製造方法。
A method for producing an oxygen storage material containing a pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide and at least one additive metal element selected from the group consisting of tin, scandium, and magnesium added to the ceria-zirconia composite oxide, comprising:
A step of preparing a ceria-zirconia solid solution powder containing the additive metal element (M), in which the content ratio (M/(Ce+Zr)×100) of the additive metal element (M) relative to the total amount of cerium (Ce) and zirconium (Zr) is 0.4 to 5.5 at %, and the molar fraction (Zr/(Ce+Zr)×100) of zirconium relative to the total number of moles of cerium (Ce) and zirconium (Zr) is 44.5 to 49.9%;
a step of compressing and molding the ceria-zirconia solid solution powder containing the additive metal element at a pressure of 30 to 350 MPa, reducing the powder at a temperature of 1400 to 2000° C., and then oxidizing the powder to obtain an oxygen storage material containing the pyrochlore-type ceria-zirconia composite oxide according to claim 1 or 2 and the additive metal element added to the ceria-zirconia composite oxide;
A method for producing an oxygen storage material, comprising:
前記添加金属元素含有セリア-ジルコニア系固溶体粉末における前記ジルコニウムのモル分率(Zr/(Ce+Zr)×100)が47.0~49.9%であることを特徴とする請求項3に記載の酸素貯蔵材料の製造方法。 The method for producing an oxygen storage material according to claim 3, characterized in that the molar fraction of zirconium in the ceria-zirconia solid solution powder containing the added metal element (Zr/(Ce+Zr) x 100) is 47.0 to 49.9%.
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