特許 6133835 排ガス浄化触媒

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6133835

(24)【登録日】2017年4月28日

(45)【発行日】2017年5月24日

(54)【発明の名称】排ガス浄化触媒

(51)【国際特許分類】

   B01J 23/63 20060101AFI20170515BHJP

   B01D 53/94 20060101ALI20170515BHJP

   B01J 35/04 20060101ALI20170515BHJP

   F01N 3/10 20060101ALI20170515BHJP

   F01N 3/28 20060101ALI20170515BHJP

【ＦＩ】

   B01J23/63 AZAB

   B01D53/94 222

   B01J35/04 301L

   F01N3/10 A

   F01N3/28 301P

【請求項の数】4

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2014-251878(P2014-251878)

(22)【出願日】2014年12月12日

(65)【公開番号】特開2016-112489(P2016-112489A)

(43)【公開日】2016年6月23日

【審査請求日】2016年4月8日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000104607

【氏名又は名称】株式会社キャタラー

(73)【特許権者】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100091096

【弁理士】

【氏名又は名称】平木 祐輔

(74)【代理人】

【識別番号】100118773

【弁理士】

【氏名又は名称】藤田 節

(74)【代理人】

【識別番号】100135909

【弁理士】

【氏名又は名称】野村 和歌子

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 宏昌

(72)【発明者】

【氏名】吉田 健

(72)【発明者】

【氏名】三浦 真秀

(72)【発明者】

【氏名】青木 悠生

(72)【発明者】

【氏名】鎮西 勇夫

(72)【発明者】

【氏名】齊藤 良典

(72)【発明者】

【氏名】落合 大輔

(72)【発明者】

【氏名】岡田 満克

(72)【発明者】

【氏名】田辺 稔貴

(72)【発明者】

【氏名】須田 明彦

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 正尚

(72)【発明者】

【氏名】千葉 明哉

(72)【発明者】

【氏名】森川 彰

(72)【発明者】

【氏名】小里 浩隆

【審査官】 森坂 英昭

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１２／１０５４５４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１０−２６００４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−００５５９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１５２７０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０８６１９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０２４７０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１３−５００１４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１１６４４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１１−５２５８５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６２−１６８５４４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ０１Ｊ ２１／００ − ３８／７４

Ｂ０１Ｄ ５３／８６

Ｂ０１Ｄ ５３／９４

Ｆ０１Ｎ ３／００ − ３／３８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基材と、該基材上に形成された触媒コーティング層を有する排ガス浄化触媒であって、 前記触媒コーティング層は、少なくとも下層と、前記下層の上に形成された、触媒に流入する排ガスに直接接触する上層とを有し、
前記下層は、担体と、前記担体に担持された少なくともＰｔまたはＰｄを含む貴金属触媒とを含有し、
前記上層は、担体と、前記担体に担持された少なくともＲｈを含む貴金属触媒と、パイロクロア型の規則配列構造を有するセリア−ジルコニア系複合酸化物とを含有し、
前記セリア−ジルコニア系複合酸化物は、プラセオジム、ランタンおよびイットリウムからなる群から選択される少なくとも１種の追加元素を、全陽イオン合計量に対して０．５〜５．０モル％含有し、かつ（セリウム＋前記追加元素）：（ジルコニウム）のモル比が４３：５７〜４８：５２の範囲内であり、
前記触媒コーティング層が、排ガス浄化触媒の排ガス上流側の端部に前記上層が設けられていない部分を有し、かつ排ガス浄化触媒の排ガス下流側の端部に前記下層が設けられない部分を有する、前記排ガス浄化触媒。

【請求項2】

前記セリア−ジルコニア系複合酸化物が含有する追加元素がプラセオジムである、請求項１に記載の排ガス浄化触媒。

【請求項3】

前記上層が、セリア−ジルコニア系複合酸化物を基材容量に対して１〜２０ｇ／Ｌの量で含有する、請求項１または２に記載の排ガス浄化触媒。

【請求項4】

前記下層が、排ガス浄化触媒の排ガス上流側の端部から前記基材の全長の７５〜８５％までの範囲に設けられており、かつ前記上層が、排ガス浄化触媒の排ガス下流側の端部から前記基材の全長の７５〜８５％までの範囲に設けられている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の排ガス浄化触媒。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は排ガス浄化用触媒に関する。より詳しくは、複数の触媒コーティング層を有し、その最上層に所定の追加元素を含むパイロクロア型セリア−ジルコニア系複合酸化物を含むことを特徴とする排ガス浄化触媒に関する。

【背景技術】

【0002】

自動車などの内燃機関から排出される排ガスには、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、未燃の炭化水素（ＨＣ）などの有害ガスが含まれている。そのような有害ガスを分解する排ガス浄化触媒（いわゆる三元触媒）には、酸素貯蔵能（ＯＳＣ：Oxygen Storage Capacity）を有する助触媒としてセリア−ジルコニア複合酸化物などが用いられる。酸素貯蔵能を有する物質（ＯＳＣ材）は、酸素を吸放出することによりミクロな空間で空燃比（Ａ／Ｆ）を制御し、排ガス組成変動に伴う浄化率の低下を抑制する効果を有する。

【0003】

排ガス浄化触媒の浄化性能の向上のために、ＯＳＣ材には、Ａ／Ｆ変動による急激な雰囲気変動に対応するための酸素吸放出速度と、長時間にわたって酸素吸放出能を維持するための酸素貯蔵容量の両方が求められる。この要求に対し、例えば特許文献１では、貴金属が担持されてなく、パイロクロア相型の規則配列構造を有する第１酸素吸放出材と、前記第１酸素吸放出材と比較して酸素吸放出速度が高くて酸素吸放出容量が低い第２酸素吸放出材とを含有し、第２酸素吸放出材に白金族貴金属が担持されており、耐久後であっても高いＮＯｘ浄化性能を発揮することができる排ガス浄化用触媒が提案されている。

【0004】

一方、排ガス雰囲気が酸素過剰のリーン雰囲気でＮＯｘを吸蔵し、吸蔵されたＮＯｘを、排ガス雰囲気をストイキ〜水素等の還元成分過剰なリッチ雰囲気に変化させることにより放出し、これを貴金属の作用によりＨＣやＣＯ等の還元成分と反応させて還元し浄化するＮＯｘ吸蔵還元型の浄化触媒において、金属同士の固溶体化による触媒活性の低下の問題に鑑み、例えばＰｔとＲｈを異なる層に含ませた上下２層の触媒層が設けられた触媒が提案されている（特許文献２および３）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１２−０２４７０１号公報

【特許文献2】特開２０１０−２０１２８４号公報

【特許文献3】特開２００９−２８５６０４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ガソリンなどの燃料には、従来よりも低減されてはいるものの、依然として少量の硫黄成分が含まれている。燃料中の硫黄成分は、通常、排ガス浄化触媒により二酸化硫黄に変換されて排出される。しかし、排ガス雰囲気がＨＣやＣＯなどが多い還元性雰囲気となった場合には、排ガス中の二酸化硫黄が還元されて硫化水素（Ｈ_２Ｓ）となって排出されてしまう。また、セリアなどのＯＳＣ材には硫黄酸化物が吸着しやすいため、酸素吸放出能の向上とＨ_２Ｓの排出抑制は排反事象の関係にある。Ｈ_２Ｓは少量でも悪臭を有するため、その排出を極力抑制することが望ましいが、従来の材料では高い酸素吸放出能とＨ_２Ｓの排出抑制とを両立することが困難であった。本発明は、高い浄化性能を有しつつＨ_２Ｓの排出が抑制された排ガス浄化触媒を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明者らは上述したような問題を検討した結果、新たに開発した、所定の追加元素を含むパイロクロア型セリア−ジルコニア系複合酸化物を、ＯＳＣ材として触媒コーティング層の最上層に用いることで、Ｈ_２Ｓを抑制しつつ高い浄化性能を発揮できる排ガス浄化触媒を提供できることを見出した。本発明の要旨は以下のとおりである。

【0008】

（１）基材と、該基材上に形成された触媒コーティング層を有する排ガス浄化触媒であって、
前記触媒コーティング層は、少なくとも下層と、前記下層の上に形成された、触媒に流入する排ガスに直接接触する上層とを有し、
前記下層は、担体と、前記担体に担持された少なくともＰｔまたはＰｄを含む貴金属触媒とを含有し、
前記上層は、担体と、前記担体に担持された少なくともＲｈを含む貴金属触媒と、パイロクロア型の規則配列構造を有するセリア−ジルコニア系複合酸化物とを含有し、
前記セリア−ジルコニア系複合酸化物は、プラセオジム、ランタンおよびイットリウムからなる群から選択される少なくとも１種の追加元素を、全陽イオン合計量に対して０．５〜５．０モル％含有し、かつ（セリウム＋前記追加元素）：（ジルコニウム）のモル比が４３：５７〜４８：５２の範囲内である、前記排ガス浄化触媒。
（２）前記セリア−ジルコニア系複合酸化物が含有する追加元素がプラセオジムである、（１）に記載の排ガス浄化触媒。
（３）前記上層が、セリア−ジルコニア系複合酸化物を基材容量に対して１〜２０ｇ／Ｌの量で含有する、（１）または（２）に記載の排ガス浄化触媒。
（４）前記触媒コーティング層が、排ガス浄化触媒の排ガス上流側の端部に前記上層が設けられていない部分を有し、かつ排ガス浄化触媒の排ガス下流側の端部に前記下層が設けられない部分を有する、（１）〜（３）のいずれかに記載の排ガス浄化触媒。
（５）前記下層が、排ガス浄化触媒の排ガス上流側の端部から前記基材の全長の７５〜８５％までの範囲に設けられており、かつ前記上層が、排ガス浄化触媒の排ガス下流側の端部から前記基材の全長の７５〜８５％までの範囲に設けられている、（４）に記載の排ガス浄化触媒。

【発明の効果】

【0009】

本発明の排ガス浄化触媒は、従来背反事象であった酸素吸放出能の向上とＨ_２Ｓの排出抑制の両立を、所定の追加元素を含むパイロクロア型セリア−ジルコニア系複合酸化物を触媒コーティングの最上層に採用することにより実現し、Ｈ_２Ｓを抑制しつつ、比較的低温であっても高い浄化性能を発揮することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の排ガス浄化触媒の触媒コーティング層の構造の一態様を示す模式的な断面図である。

【図2】Ｐｒ添加パイロクロアＺＣを下層に添加した場合と上層に添加した場合の効果の差を比較したグラフである。

【図3】Ｐｒ添加パイロクロアＺＣまたは従来のＺＣ材の添加量とＡ／Ｆ変動時のＮＯｘ浄化率の関係を示すグラフである。

【図4】Ｐｒ添加パイロクロアＺＣまたは従来のＺＣ材の添加量とＨ_２Ｓ排出量の関係を示すグラフである。

【図5】Ｐｒ添加パイロクロアＺＣまたは従来のＺＣ材の添加量と定常Ａ／Ｆリッチ時のＮＯｘ浄化率の関係を示すグラフである。

【図6】Ｐｒ添加パイロクロアＺＣまたは従来のＺＣ材の添加量と圧損との関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

本発明の排ガス浄化触媒は、基材と、該基材上に形成された触媒コーティング層を有し、該触媒コーティング層が、少なくとも下層と、前記下層の上に形成された上層を有し、該上層に、プラセオジム（Ｐｒ）、ランタン（Ｌａ）およびイットリウム（Ｙ）からなる群から選択される少なくとも１種の追加元素を有し、かつパイロクロア型の規則配列構造を有するセリア−ジルコニア系複合酸化物を含有することを特徴とする。触媒コーティング層は少なくとも上層と下層の二層からなるが、必要に応じて三層以上からなっていてもよい。

【0012】

（触媒コーティング層の上層に含まれるセリア−ジルコニア系複合酸化物）
本発明の排ガス浄化触媒の触媒コーティング層の上層（触媒コーティング層が三層以上存在する場合はその最上層）に含まれるセリア−ジルコニア系複合酸化物は、パイロクロア型の規則配列構造を有し、プラセオジム、ランタンおよびイットリウムからなる群から選択される少なくとも１種の追加元素を、全陽イオン合計量に対して０．５〜５．０モル％、より好ましくは１．０〜３．０モル％含有し、かつ（セリウム＋前記追加元素）：（ジルコニウム）のモル比が４３：５７〜４８：５２の範囲内であることを特徴とする。

【0013】

該セリア−ジルコニア系複合酸化物は、本発明者らが開発した新規なＯＳＣ材であり、熱による劣化が抑制されているとともに、約４００℃という低温から十分な酸素吸放出能を発揮できるという特徴を有する。また、酸素吸放出容量が大きい一方で酸素吸放出速度は比較的遅い、比表面積および嵩密度がいずれも低いという特徴も併せ持つ。該セリア−ジルコニア系複合酸化物の比表面積は、吸着等温線からＢＥＴ等温吸着式を用いて算出したＢＥＴ比表面積が０．１〜２ｍ^２／ｇの範囲、特に０．２〜１ｍ^２／ｇの範囲であることが好ましい。

【0014】

ここで、一般に、セリア−ジルコニア系複合酸化物において「パイロクロア型の規則配列構造を有する」とは、セリウムイオンとジルコニウムイオンとによるパイロクロア型の規則配列構造を有する結晶相（パイロクロア相）が構成されていることを意味する。パイロクロア相の配列構造は、ＣｕＫαを用いたＸ線回折パターンの２θ角が１４．５°、２８°、３７°、４４．５°及び５１°の位置にそれぞれピークを有することにより特定することができる。ここで、「ピーク」とは、ベースラインからピークトップまでの高さが３０ｃｐｓ以上のものをいう。また、回折線強度を求める際には、各回折線強度の値から、バックグラウンド値として２θ＝１０〜１２゜の平均回折線強度を差し引いて計算する。

【0015】

パイロクロア型の規則配列構造を有するセリア−ジルコニア系複合酸化物において、Ｘ線回折パターンのピーク強度比により求められる全結晶相に対するパイロクロア型に規則配列した結晶相の含有比率は５０％以上、特に８０％以上であることが好ましい。パイロクロア型の規則配列構造を有するセリア−ジルコニア系複合酸化物の調製方法は当業者に公知である。

【0016】

セリア−ジルコニア系複合酸化物のパイロクロア相（Ｃｅ_２Ｚｒ_２Ｏ_７）は酸素欠陥サイトを有し、そのサイトに酸素原子が入り込むとパイロクロア相はκ相（Ｃｅ_２Ｚｒ_２Ｏ_８）に相変化する。一方、κ相は酸素原子を放出することによりパイロクロア相に相変化することができる。セリア−ジルコニア複合酸化物の酸素貯蔵能は、パイロクロア相とκ相との間で相互に相変化して酸素を吸放出することによるものである。

【0017】

セリア−ジルコニア系複合酸化物の結晶相のＣｕＫαを用いたＸ線回折（ＸＲＤ）測定において、２θ＝１４．５°の回折線は規則相（κ相）の（１１１）面に帰属する回折線であり、２θ＝２９°の回折線は規則相の（２２２）面に帰属する回折線とパイロクロア相を有しないセリア−ジルコニア固溶体の（１１１）面に帰属する回折線とが重なったものであるため、両者の回折線の強度比であるＩ（１４／２９）値を規則相の存在率を示す指標とすることができる。また、２θ＝２８．５゜の回折線はＣｅＯ_２単体の（１１１）面に帰属する回折線であるため、２θ＝２８．５゜の回折線と２θ＝２９゜の回折線の強度比であるＩ（２８／２９）値を、複合酸化物からＣｅＯ_２が分相している程度を示す指標とすることができる。なお、κ相のＰＤＦカード（ＰＤＦ２：０１−０７０−４０４８）およびパイロクロア相のＰＤＦカード（ＰＤＦ２：０１−０７５−２６９４）に基づき、完全なκ相のＩ（１４／２９）値は０．０４、完全なパイロクロア相のＩ（１４／２９）値は０．０５と計算することができる。

【0018】

本発明で用いるパイロクロア型セリア−ジルコニア系複合酸化物が、プラセオジム、ランタンおよびイットリウムからなる群から選択される少なくとも１種の追加元素を含有することにより上述したような特性を有するようになる理由は、以下のように推察される。プラセオジムは、式：Ｐｒ_６Ｏ_１１→３Ｐｒ_２Ｏ_３＋Ｏ_２で表される還元反応のΔＧ（ギブズの自由エネルギー）が負であるため、ΔＧが正である、式：２ＣｅＯ_２→Ｃｅ_２Ｏ_３＋０．５Ｏ_２で表されるＣｅＯ_２の還元反応を起こりやすくするものと考えられる。また、ランタンおよびイットリウムは＋３価が安定であるため、電荷補償の原理により結晶内の酸素欠陥を安定させるものと考えられる。

【0019】

本発明で用いるパイロクロア型セリア−ジルコニア系複合酸化物の耐久性は、大気中、１１００℃の温度条件で５時間加熱後、ＣｕΚαを用いたＸ線回折測定により得られるＩ（１４／２９）値が０．０２以上であり、かつＩ（２８／２９）値が０．０８以下であることにより特徴づけることができる。

【0020】

（触媒コーティング層の下層）
本発明の排ガス浄化触媒において、触媒コーティング層の下層は貴金属触媒としてＰｔまたはＰｄを含む。貴金属触媒は、Ｐｔのみ、Ｐｄのみ、またはＰｔとＰｄの混合物のみからなっていてもよい。ＰｔおよびＰｄは主としてＣＯおよびＨＣの酸化浄化に寄与する。貴金属触媒は担体に担持された状態で含まれている。担体は、特に限定されず、一般に触媒担体として用いられる任意の金属酸化物、例えばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、セリア（ＣｅＯ_２）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、シリカ（ＳｉＯ_２）、チタニア（ＴｉＯ_２）またはそれらの組み合わせなどを用いることができる。触媒コーティング層の下層のＰｔまたはＰｄを含む貴金属触媒の担体としてはアルミナが好ましい。アルミナ担体はランタナ添加アルミナ担体であってもよい。

【0021】

触媒コーティング層の下層には、ＯＳＣ材として、セリア−ジルコニア複合酸化物、特にセリアに対するジルコニア含有量が多いセリア−ジルコニア複合酸化物（ＺＣ）が含まれていることが好ましい。ここで「セリアに対するジルコニア含有量が多い」とは、複合酸化物に含まれるジルコニアの重量比がセリアの重量比よりも高いことを意味する。ＺＣ材におけるセリア：ジルコニアの存在比は、重量比で１：１．１〜１：５、特に１：１．５〜１：３の範囲であることが好ましい。ＺＣ材は、ＣＺ材と比較して酸素吸放出効率が高く、貴金属活性に与える影響も小さいという特性を有する。

【0022】

（触媒コーティング層の上層）
本発明の排ガス浄化触媒において、触媒コーティング層の上層は貴金属触媒としてＲｈを含み、さらにＰｔまたはＰｄを含んでいてもよい。貴金属触媒は、Ｒｈのみ、ＲｈとＰｔの混合物のみ、ＲｈとＰｄの混合物のみ、あるいはＲｈとＰｔとＰｄの混合物のみからなっていてもよい。Ｒｈは主としてＮＯｘの還元浄化に寄与する。下層と同様に、貴金属触媒は担体に担持された状態で含まれている。担体は、例えばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、シリカ（ＳｉＯ_２）、チタニア（ＴｉＯ_２）またはそれらの組み合わせなどを用いることができる。触媒コーティング層の上層のＲｈを含む貴金属触媒の担体としては、比熱が小さく暖まりやすいジルコニアが好ましく、特に硫黄酸化物を吸着しにくくするという観点からセリアを含まないジルコニアがより好ましい。また、担体とは別に耐熱性の高いアルミナを触媒コーティング層に混合することで、触媒コーティング層の耐久性を向上させることができる。

【0023】

触媒コーティング層の上層には、上述のとおりプラセオジム（Ｐｒ）、ランタン（Ｌａ）およびイットリウム（Ｙ）からなる群から選択される少なくとも１種の追加元素を有し、かつパイロクロア型の規則配列構造を有するセリア−ジルコニア系複合酸化物が含まれる。該セリア−ジルコニア系複合酸化物は、その特性を十分発揮させるためには、基材容量に対して１ｇ／Ｌ以上、特に２ｇ／Ｌ以上、とりわけ４ｇ／Ｌ以上の量で触媒コーティング層の上層に含まれることが好ましい。触媒に流入する排ガスに直接接触する上層に該セリア−ジルコニア系複合酸化物が含まれていることにより、該セリア−ジルコニア系複合酸化物の特性が表れやすくなる。上述のとおり、本発明で用いる該セリア−ジルコニア系複合酸化物は比表面積が小さいため、硫黄酸化物を吸着しにくく、その結果としてＨ_２Ｓの発生量を抑制するのに寄与する。なお、該セリア−ジルコニア系複合酸化物は、その含有量に比例して向上するＮＯｘなどの浄化能と、同じく含有量に比例して増加する触媒での圧損やＨ_２Ｓ排出量のバランスの観点から、基材容量に対して２０ｇ／Ｌ以下、特に１６ｇ／Ｌ以下、とりわけ１２ｇ／Ｌ以下の量で触媒コーティング層の上層に含まれることが好ましい。典型的には、該セリア−ジルコニア系複合酸化物は基材容量に対して１〜２０ｇ／Ｌの量で触媒コーティング層の上層に含まれることが好ましい。

【0024】

（基材および触媒コーティング）
本発明の排ガス浄化触媒に用いる基材は、特に限定されず、一般的に用いられている多数のセルを有するハニカム形状の材料を使用することができ、その材質としては、コージェライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ_２Ｏ_３・５ＳｉＯ_２）、アルミナ、ジルコニア、炭化ケイ素などの耐熱性を有するセラミックス材料や、ステンレス鋼などの金属箔からなるメタル材料が挙げられる。基材への触媒コーティング層の形成は、公知の手法により、例えば、各材料を蒸留水およびバインダーに懸濁して調製したスラリーを基材に流し込み、ブロアーで不要分を吹き払うなどして行うことができる。

【0025】

本発明の排ガス浄化触媒において、触媒コーティング層は、図１に示すように、排ガス浄化触媒の排ガス上流側（Ｆｒ側）の端部に前記上層が設けられていない部分を有し、かつ排ガス浄化触媒の排ガス下流側（Ｒｒ側）の端部に前記下層が設けられない部分を有することが好ましい。排ガス上流側に上層が設けられていない部分を設けることで、貴金属触媒としてＰｔおよびＰｄを含む下層での、排ガス中のＨＣやＣＯの酸化浄化を促進させることができる。ＨＣやＣＯを上流側で酸化浄化することにより、排ガス中の二酸化硫黄が硫化水素（Ｈ_２Ｓ）となってしまう還元性雰囲気となるのを防ぎ、Ｈ_２Ｓの発生を抑制することができる。また、排ガス下流側に下層が設けられていない部分を設けることで、硫黄の蓄積が生じやすい触媒下流部のコーティング量を減らし、Ｈ_２Ｓの発生をさらに抑制することができる。下層は、排ガス浄化触媒の排ガス上流側の端部から基材の全長の７５〜８５％まで、特に７８〜８２％までの範囲（図１中のａ）に設けられていることが好ましく、上層は、排ガス浄化触媒の排ガス下流側の端部から前記基材の全長の７５〜８５％まで、特に７８〜８２％までの範囲（図１中のｂ）に設けられていることが好ましい。

【0026】

（本発明の排ガス浄化触媒の特性）
本発明の排ガス浄化触媒は、近年多く採用されているスタートアップ触媒（Ｓ／Ｃ、スタートアップコンバータなどとも称される）とアンダーフロア触媒（ＵＦ／Ｃ、アンダーフロアコンバータ、床下触媒などとも称される）を組み合わせた二触媒システムにおいて、ＵＦ／Ｃとして用いるのに特に適している。そのような二触媒システムにおいては、Ｓ／Ｃは内燃機関の直下に取り付けられるため高温の排ガスに晒されるが、ＵＦ／ＣはＳ／Ｃの下流に設けられるため、流入する排ガスの濃度は薄く、その温度も比較的低くなり、従来のＯＳＣ材（例えばパイロクロア型ＺＣ材）では十分な酸素吸放出機能を発揮することが難しかった。また、ＵＦ／ＣにはＳ／Ｃが劣化や故障などにより十分に機能しなくなった場合には、それ単独で十分な排ガス浄化能を発揮することも求められる。本発明の排ガス浄化触媒は、所定の追加元素を含むパイロクロア型セリア−ジルコニア系複合酸化物を触媒コーティング層の上層に含むことにより、低温でも十分な酸素貯蔵能を発揮でき、Ｈ_２Ｓの発生を抑制するという該セリア−ジルコニア系複合酸化物の特性を活かし、従来の背反事項であった酸素貯蔵能とＨ_２Ｓ臭の低減の両立を実現するものであり、耐熱性も併せ持つため、ＵＦ／Ｃとして特に好適である。

【実施例】

【0027】

以下、実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

【0028】

１．Ｐｒ添加パイロクロアＺＣの調製
まず、ＣｅＯ_２換算で２８質量％の硝酸セリウム水溶液４４２ｇと、ＺｒＯ_２換算で１８質量％のオキシ硝酸ジルコニウム水溶液５９０ｇと、Ｐｒ_６Ｏ_１１換算で１．２ｇとなる量の硝酸プラセオジムを含む水溶液１００ｇと、含有されるセリウムの１．１倍モル量の過酸化水素を含む水溶液１９７ｇとを、中和当量に対して１．２倍当量のアンモニアを含有する水溶液１２１７ｇに添加し、共沈物を生成し、得られた共沈物を遠心分離し、イオン交換水で洗浄した。得られた共沈物を１１０℃で１０時間以上乾燥した後、４００℃で５時間大気中にて焼成してセリウムとジルコニウムとプラセオジムとの固溶体（ＣｅＯ_２−ＺｒＯ_２−Ｐｒ_６Ｏ_１１固溶体）を得た。得られた固溶体を粉砕機（商品名：ワンダーブレンダー、アズワン社製）を用いて篩で粒径が７５μｍ以下となるように粉砕して、セリア−ジルコニア−プラセオジミア固溶体粉末を得た。

【0029】

次に、得られた固溶体粉末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（商品名：ＣＫ４−２２−６０、日機装社製）を用いて、前記バッグに対して静水圧プレス（ＣＩＰ）を２０００ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧力（成型圧力）で１分間行って成型し、セリア−ジルコニア−プラセオジミア固溶体粉末の成型体を得た。成型体のサイズは、縦４ｃｍ、横４ｃｍ、平均厚み７ｍｍ、重量約２０ｇとした。

【0030】

次いで、得られた成型体（２枚）を、活性炭７０ｇを充填した坩堝（内容積：直径８ｃｍ、高さ７ｃｍ）内に配置し、蓋をした後、高速昇温電気炉に入れ、昇温時間１時間で１０００℃まで加熱した後、昇温時間４時間で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。得られた還元処理品を大気中、５００℃の温度条件で５時間加熱して酸化し、複合酸化物におけるセリウムとジルコニウムとプラセオジムとの含有比率が、セリウム：ジルコニウム：プラセオジムのモル比で４５：５４：１である、プラセオジム添加パイロクロア型セリア−ジルコニア系複合酸化物（Ｐｒ添加パイロクロアＺＣ）を得た。得られたＰｒ添加パイロクロアＺＣは篩で７５μｍ以下に粉砕した。

【0031】

得られたＰｒ添加パイロクロアＺＣを、大気中１１００℃で５時間加熱した後（高温耐久試験）、パイロクロア構造が維持されているかどうかを確認するため、処理後の結晶相をＸ線回折法により測定した。Ｘ線回折装置として理学電機社製の商品名（ＲＩＮＴ−２１００）を用い、ＣｕＫα線、４０ＫＶ、３０ｍＡ、２θ＝２゜／分の条件でＸ線回折パターンを測定し、Ｉ（１４／２９）値及びＩ（２８／２９）値を求めた。

【0032】

上記と同様にして、セリウム：ジルコニウム：プラセオジムのモル比が異なるＡ〜ＥのＰｒ添加パイロクロアＺＣを調製し、高温耐久試験の後、Ｘ線回折パターンを測定してＩ（１４／２９）値及びＩ（２８／２９）値を求めた。表１に結果をまとめた。

【0033】

【表1】

【0034】

２．触媒の調製
（１）比較例１：Ｐｒ添加パイロクロアＺＣを含有しない二層触媒
（ａ）下層Ｐｔ層（Ｐｔ（０．２）／Ａｌ_２Ｏ_３（２５）＋ＺＣ（３０））
１質量％のＬａ_２Ｏ_３を含有するＡｌ_２Ｏ_３担体と硝酸白金とを用い、含浸法によりＡｌ_２Ｏ_３に担持されたＰｔ材料（材料１）を調製した。次に、材料１、セリウム：ジルコニウムのモル比が４６：５４であるセリア−ジルコニア複合酸化物（ＺＣ）およびＡｌ_２Ｏ_３系バインダーを蒸留水に撹拌しながら加えて懸濁し、スラリー１を調製した。

【0035】

コージェライト製のハニカム構造基材にスラリー１を流し込み、次いでブロアーで不要分を吹き払い、基材壁面をコーティングした。コーティングは、基材の排ガス流れ方向の上流側（Ｆｒ側）から行い、上流側の端から基材の全長の８０％までの範囲に形成されるようにした（図１参照、ａ＝８０％）。また、コーティングには、基材容量に対して材料１が２５ｇ／Ｌ（うちＰｔが０．２ｇ／Ｌ）およびＺＣが３０ｇ／Ｌ含まれるようにした。コーティング後、１２０℃の乾燥機で２時間水分を除去した後、５００℃の電気炉で２時間の焼成を行った。

【0036】

（ｂ）上層Ｒｈ層（Ｒｈ（０．１２）／ＺｒＯ_２（４０）＋Ａｌ_２Ｏ_３（２０））
ＺｒＯ_２担体と硝酸ロジウムとを用い、含浸法によりＺｒＯ_２に担持されたＲｈ／ＺｒＯ_２材料（材料２）を調製した。次に、材料２、Ａｌ_２Ｏ_３およびＡｌ_２Ｏ_３系バインダーを蒸留水に撹拌しながら加えて懸濁し、スラリー２を調製した。

【0037】

上記（ａ）によりコーティングを施したハニカム構造基材にスラリー２を流し込み、次いでブロアーで不要分を吹き払い、基材壁面をコーティングした。コーティングは、基材の排ガス流れ方向の下流側（Ｒｒ側）から行い、下流側の端から基材の全長の８０％までの範囲に形成されるようにした（図１参照、ｂ＝８０％）。また、コーティングには、基材容量に対して材料２が４０ｇ／Ｌ（うちＲｈが０．１２ｇ／Ｌ）およびＡｌ_２Ｏ_３が２０ｇ／Ｌ含まれるようにした。コーティング後、１２０℃の乾燥機で２時間水分を除去した後、５００℃の電気炉で２時間の焼成を行った。

【0038】

（２）実施例１〜５
スラリー２の調製時に、さらにＰｒ添加パイロクロアＺＣを添加した以外は、比較例１と同様にして触媒を調製した。コーティングにおけるＰｒ添加パイロクロアＺＣの含有量は、基材容量に対して、実施例１で４ｇ／Ｌ、実施例２で８ｇ／Ｌ、実施例３で１２ｇ／Ｌ、実施例４で１６ｇ／Ｌおよび実施例５で２０ｇ／Ｌとなるようにした。

【0039】

（３）比較例２
スラリー１の調製時に、さらにセリウム：ジルコニウム：プラセオジムのモル比が４５：５４：１であるＰｒ添加パイロクロアＺＣ（表１のＡ）を添加した以外は、比較例１と同様にして触媒を調製した。コーティングにおけるＰｒ添加パイロクロアＺＣの含有量は、基材容量に対して４ｇ／Ｌとなるようにした。

【0040】

（４）比較例３〜６
スラリー２の調製時に、セリウム：ジルコニウムのモル比が４６：５４であるセリアージルコニア複合酸化物（ＺＣ）を添加した以外は比較例１と同様にして触媒を調製した。コーティングにおけるＺＣの含有量は、基材容量に対して、比較例３で８ｇ／Ｌ、比較例４で１２ｇ／Ｌ、比較例５で１６ｇ／Ｌおよび比較例６で２０ｇ／Ｌとなるようにした。

【0041】

表２に、実施例１〜５および比較例１〜６の触媒における下層および上層のそれぞれの構成をまとめた。

【0042】

【表2】

【0043】

３．評価
（１）耐久試験
触媒をＶ型８気筒４．３Ｌガソリンエンジンの排気系に装着し、触媒床温９５０℃で、１分間にフィードバック、フューエルカット、リッチ、リーンを含む条件で５０時間の耐久試験を施した。

【0044】

（２）Ａ／Ｆ変動時のＮＯｘ浄化率評価
劣化したＳ／Ｃ（Ｐｄ／Ｒｈ系触媒）を装着した実機エンジンに耐久試験後の触媒をＵＦ／Ｃとして装着し、入りガス温度を４００℃に設定し、入りガス雰囲気のＡ／Ｆをリッチ−リーン間（１４．０−１５．０）で周期的に振幅させた際のＮＯｘ排出量を測定した。

【0045】

（３）加速時のＨ_２Ｓ排出量評価
硫黄含有量が多い燃料を供給したエンジンに触媒を装着することにより触媒に硫黄を吸着させ、次いでエンジンを加速させた際に排出された硫化水素量を測定した。Ｐｒ添加パイロクロアＺＣおよびＺＣのいずれも添加していない比較例１の値に対する比率で評価した。

【0046】

（４）定常Ａ／Ｆリッチ時のＮＯｘ浄化率評価
劣化したＳ／Ｃを装着した実機エンジンに耐久試験後の触媒ををＵＦ／Ｃとして装着し、入りガス温度を４００℃に設定し、入りガス雰囲気のＡ／Ｆをリッチに維持した際のＮＯｘ排出量を測定し、浄化率を算出した。

【0047】

（５）圧損評価
触媒に一定流量（６ｍ^３／分）の空気を流した際の圧力損失（２５℃換算）を測定し、比較例１の値に対する比率で評価した。

【0048】

４．結果
図２は、Ｐｒ添加パイロクロアＺＣを下層に添加した場合と上層に添加した場合の効果の差を比較したグラフである。なお、実施例１ａおよび比較例２ａの触媒は、コーティングにおけるＰｒ添加パイロクロアＺＣの含有量を５ｇ／Ｌとした以外は、それぞれ実施例１および比較例２と同様に調製したものである。Ｐｒ添加パイロクロアＺＣは上層に添加した場合のみＮＯｘ浄化率の向上効果がみられることがわかった。これは、ＵＦ／ＣにはＳ／Ｃにより浄化されたガスが流入するため、ＵＦ／Ｃに流入するガス濃度が薄く、よりガスとの反応が起こりやすい上層ほど効果が得られたためであると推察された。

【0049】

図３は、Ｐｒ添加パイロクロアＺＣまたは従来のＺＣ材の添加量とＡ／Ｆ変動時のＮＯｘ浄化率の関係を示すグラフである。従来のＺＣ材を添加した場合では、一定量以上添加してもＮＯｘ浄化率に変化はみられなかったのに対し、Ｐｒ添加パイロクロアＺＣを添加した場合ではＮＯｘ浄化率は添加量に比例して向上した。

【0050】

図４は、Ｐｒ添加パイロクロアＺＣまたは従来のＺＣ材の添加量とＨ_２Ｓ排出量の関係を示すグラフである。従来のＺＣ材を添加した場合では、添加量に比例してＨ_２Ｓ排出量が増加したのに対し、Ｐｒ添加パイロクロアＺＣを添加した場合では、やはりＨ_２Ｓ排出量は添加量の増加に伴って増加傾向ではあったが、その増加量は従来のＺＣ材の場合と比較してかなり少なかった。

【0051】

図５は、Ｐｒ添加パイロクロアＺＣまたは従来のＺＣ材の添加量と定常Ａ／Ｆリッチ時のＮＯｘ浄化率の関係を示すグラフである。従来のＺＣ材を添加した場合では添加に伴ってＮＯｘ浄化率が低下する傾向がみられたが、Ｐｒ添加パイロクロアＺＣを添加した場合では、少なくとも添加量が１２ｇ／Ｌ以内の範囲ではそのような傾向はみられなかった。

【0052】

図６は、Ｐｒ添加パイロクロアＺＣまたは従来のＺＣ材の添加量と圧損との関係を示すグラフである。従来のＺＣ材を添加した場合では、添加量に比例して圧損量が増加したのに対し、Ｐｒ添加パイロクロアＺＣを添加した場合では、やはり圧損量は添加量の増加に伴って増加傾向ではあったが、その増加量は従来のＺＣ材の場合と比較してかなり少なかった。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】