(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】
(24)【登録日】2022-04-20
(45)【発行日】2022-04-28
(54)【発明の名称】二金属分散Al酸化物からなる排ガス浄化用触媒担体
(51)【国際特許分類】
B01J 23/44 20060101AFI20220421BHJP
B01J 21/10 20060101ALI20220421BHJP
B01J 32/00 20060101ALI20220421BHJP
B01J 35/10 20060101ALI20220421BHJP
B01J 37/08 20060101ALI20220421BHJP
B01D 53/94 20060101ALI20220421BHJP
F01N 3/28 20060101ALI20220421BHJP
F01N 3/10 20060101ALI20220421BHJP
【FI】
B01J23/44 A
B01J21/10 A ZAB
B01J32/00
B01J35/10 301F
B01J37/08
B01D53/94 222
B01D53/94 241
B01D53/94 280
F01N3/28 301P
F01N3/10 A
(21)【出願番号】P 2018155391
(22)【出願日】2018-08-22
【審査請求日】2021-04-16
(31)【優先権主張番号】P 2017180941
(32)【優先日】2017-09-21
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
【新規性喪失の例外の表示】特許法第30条第2項適用 平成29年9月5日触媒学会発行の「第120回触媒討論会 討論会A予稿集」に発表
(73)【特許権者】
【識別番号】000193601
【氏名又は名称】水澤化学工業株式会社
(73)【特許権者】
【識別番号】301021533
【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所
(74)【代理人】
【識別番号】100075177
【氏名又は名称】小野 尚純
(74)【代理人】
【識別番号】100113217
【氏名又は名称】奥貫 佐知子
(72)【発明者】
【氏名】永躰 将克
(72)【発明者】
【氏名】丹呉 威
(72)【発明者】
【氏名】内澤 潤子
(72)【発明者】
【氏名】小渕 存
【審査官】森坂 英昭
(56)【参考文献】
【文献】特開昭54-033290(JP,A)
【文献】特表2011-522688(JP,A)
【文献】特開平09-225308(JP,A)
【文献】特開2014-140839(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 3/28
F01N 3/10
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
アルミナ粒子中にシリカ及びマグネシア若しくはチタニアが分散している二金属分散Al酸化物からなる排ガス浄化用触媒担体であって、
前記二金属分散Al酸化物は、Al、Si及び金属M(Mは、MgまたはTi)の3元素基準で、Siを1.0~10.0モル%及び金属Mを0.1~10.0モル%の量で含み、且つ窒素吸着法で測定した細孔分布曲線において、細孔直径が1~20nmの領域に細孔容積の極大値を有していると共に、倍率20万倍の電子顕微鏡写真の画像解析で測定される面積90,000nm
2でのSi及び金属Mの面積占有率が何れも70%以上として観察されることを特徴とする排ガス浄化用触媒担体。
【請求項2】
25℃で前記二金属分散Al酸化物に対して1.1倍質量の0.45%硫酸を滴下したものを650℃の温度に30分保持し、25℃に温度降下せしめ、再度、硫酸滴下、650℃での高温保持及び25℃への温度降下の熱サイクルを計10サイクル行った温度スイング後の触媒担体を、大気中、750℃、50時間保持するエージング処理を行ったとき、エージング処理後の前記二金属分散Al酸化物の細孔容積の前記極大値の位置が、温度スイング後における細孔容積の極大値の位置との差が3.0nm以下となっている請求項1に記載の排ガス浄化用触媒担体。
【請求項3】
請求項1または2に記載の触媒担体に白金族金属を担持してなる排ガス浄化用触媒。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、アルミナ粒子中に、2種の金属酸化物が分散している二金属分散Al酸化物からなる排ガス浄化用触媒担体に関するものであり、さらには、該触媒担体に白金族金属を担持した排ガス浄化用触媒にも関する。
【背景技術】
【0002】
白金、パラジウム、ロジウムに代表される白金族金属は、排ガス浄化用触媒としての機能を有しており、このような白金族金属を多孔質担体に担持させたものは、例えば自動車の排ガス中に含まれる炭化水素(HC)、一酸化炭素(CO)、窒素酸化物(NOx)を浄化するための触媒として使用されている(特許文献1参照)。
【0003】
ところで、上記のような白金族金属は貴金属であり、非常に高価であるため、その触媒機能が効率よく発揮されるように多孔質担体(触媒担体)に保持しなければならない。従って、触媒担体として好適に使用される多孔質担体についても種々の提案がなされている。
【0004】
例えば、特許文献1には、アルミナ、セリア、ジルコニア、チタニア、シリカ、ゼオライト及びメソポーラスシリカからなる群より選択された少なくとも1種を、上記白金族金属を担持させる触媒担体として用いることが提案されている。
また、特許文献2には、SiO2とZrO2との複合酸化物を焼結したものを排ガス浄化用触媒の触媒担体として用いることが提案されている。
さらに、特許文献3には、規則的周期構造を有する均一なメソ孔を備え且つ一定割合でSi-O-Zr結合を有するメソポーラスシリカを触媒担体として用いることが提案されている。
【0005】
上述した種々の触媒担体の中では、規則的周期構造を有する均一なメソ孔を備えたメソポーラスシリカは、白金族金属の粒子を凝集することなく均一に分散して保持することができるため、特に注目されている。
【0006】
しかしながら、この種のメソポーラスシリカは、均一なメソ孔を形成するために、高価な界面活性剤を使用しなければならず、しかも、この界面活性剤は熱分解により除去されてしまうため、再利用することもできないという問題がある。即ち、このようなメソポーラスシリカは、極めて高価なものであり、これに白金族金属を担持させた排ガス浄化用触媒は、著しく高価なものとなってしまい、その実用化を妨げているのが難点である。
さらに、従来公知の触媒は、一般に耐熱耐久性が低く、例えば750℃、50時間のエージングを行った後では、350℃でのNO酸化率が大きく低下する傾向がある。
【0007】
特許文献4には、Si/(Si+Al)が1.0~10.0モル%の範囲にあり、Si粒子の面積占有率が70%以上であるシリカ分散アルミナからなる排ガス浄化用触媒担体が本出願人により提案されている。かかる担体は、極めて安価に製造できるばかりか、これに貴金属触媒を担持した排ガス浄化用触媒は、良好な耐熱耐久性を示すと同時に、その触媒能(HC、CO、NOx等に対する浄化作用)も、前述した特許文献1~3と同等である。
【0008】
しかしながら、特許文献4等に開示されている触媒担体には、未だ解決すべき課題が残されている。即ち、この触媒担体に白金等の貴金属を担持させて排ガス浄化に使用する場合、係る触媒は、微粒子捕集フィルター(DPF)と組み合わせて排ガス管内に装着されるが、長期使用に際しては、DPF再生のために、断続的に加熱処理(温度スイング処理)が行われる。具体的には、650℃程度の温度での加熱保持を繰り返し行い、DPFの再生(フィルターに捕捉された微粒子の焼却)を行うわけである。
本出願人により提案されている従来公知の触媒担体に保持された触媒は、高温に長時間保持したときの触媒性能の低下は効果的に回避されているのであるが、上記のようにDPF再生のための加熱処理後での耐熱耐久性が未だ不十分である。即ち、DPF再生処理がなされた後では、触媒性能が低下し、例えば350℃でのNO酸化率が低下するという問題があり、さらなる改善が求められている。
【0009】
上記でも説明したように、排ガス浄化用触媒については多くの提案がなされているが、上記のようなDPF再生処理後の耐熱耐久性についての検討はほとんどなされていないというのが実情である。
例えば、特許文献5には、チタニアを高分散させたシリカ-アルミナ-チタニア担体を用いた触媒が提案されているが、この触媒は、炭化水素油の水素化脱硫触媒として使用されるものであり、排ガス浄化用触媒として使用されるものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0010】
【文献】特開2004-148166号公報
【文献】特開平7-108137号公報
【文献】特開2002-241123号公報
【文献】特許第5828478号
【文献】特開2012-5976号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
本発明の目的は、DPF再生処理後においても優れた耐熱耐久性を示す排ガス浄化用触媒担体及び該担体に貴金属が担持された排ガス浄化用触媒を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0012】
本発明者等は、アルミナ粒子中にシリカ粒子が分散したシリカ分散アルミナからなる排ガス浄化用触媒担体について研究を推し進めた結果、アルミナ粒子中に、シリカと共にマグネシア或いはチタニアを高分散させた触媒担体では、DPF再生のための温度スイング処理を行った後、さらに高温のエージング処理を行ったとき、温度スイング処理後から高温でのエージング処理後にかけての細孔分布の変動が抑制されているという知見を見出し、かかる知見に基づき、本発明を完成させるに至った。
【0013】
本発明によれば、アルミナ粒子中にシリカ及びマグネシア若しくはチタニアが分散している二金属分散Al酸化物からなる排ガス浄化用触媒担体であって、
前記二金属分散Al酸化物は、Al、Si及び金属M(Mは、MgまたはTi)の3元素基準で、Siを1.0~10.0モル%及び金属Mを0.1~10.0モル%の量で含み、且つ窒素吸着法で測定した細孔分布曲線において、細孔直径が1~20nmの領域に細孔容積の極大値を有していると共に、倍率20万倍の電子顕微鏡写真の画像解析で測定される面積90,000nm2でのSi及び金属Mの面積占有率が何れも70%以上として観察されることを特徴とする排ガス浄化用触媒担体が提供される。
本発明によれば、また、上記触媒担体に白金族金属を担持してなる排ガス浄化用触媒が提供される。
【0014】
本発明の排ガス浄化用触媒担体は、25℃で前記二金属分散Al酸化物に対して1.1倍質量の0.45%硫酸を滴下したものを650℃の温度に30分保持し、25℃に温度降下せしめ、再度、硫酸滴下、650℃での高温保持及び25℃への温度降下の熱サイクルを計10サイクル行った温度スイング後の触媒担体を、大気中、750℃、50時間保持するエージング処理を行ったとき、エージング処理後の前記二金属分散Al酸化物の細孔容積の前記極大値の位置が、温度スイング後における細孔容積の極大値の位置との差が3.0nm以下となっている。
【発明の効果】
【0015】
本発明の排ガス浄化用触媒担体は、アルミナ粒子中にシリカ及びマグネシア若しくはチタニアが分散している二金属分散Al酸化物からなるものであり、アルミナ粒子中にシリカ以外にマグネシア或いはチタニアが高分散されている。このような二金属分散Al酸化物からなる触媒担体に白金等の白金族金属を担持させた触媒は、後述する実施例に示されているように、硫黄存在下で650℃の温度に断続的に繰り返し保持するという温度スイング処理を行った後に、750℃に50時間保持するという模擬劣化処理を行った後においても触媒活性の低下が低く抑えられている。
このことから理解されるように、本発明の触媒担体に白金属貴金属が担持された排ガス浄化用触媒は、微粒子捕集フィルター(DPF)と組み合わせて使用し、DPFの再生処理が行われた後にも優れた触媒活性を示し、長期にわたる使用が可能であり、その実用性が高い。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【
図1】実施例1で得られた二金属分散Al酸化物(シリカ及びマグネシア分散)の触媒調製後のTEM-EDXのマッピング像(倍率20万倍)。
【
図2】実施例1で得られた二金属分散Al酸化物(触媒調製後)の模擬劣化処理後のTEM-EDXのマッピング像(倍率29万倍)。
【
図3】実施例1で得られた二金属分散Al酸化物(触媒調製後)の細孔分布曲線を示す図。
【
図4】実施例2で得られた二金属分散Al酸化物(触媒調製後)の細孔分布曲線を示す図。
【
図5】比較例1で用いたアルミナ(触媒調製後)の細孔分布曲線を示す図。
【
図6】比較例2で用いたシリカ分散アルミナ(触媒調製後)の細孔分布曲線を示す図。
【
図7】実施例2で得られた二金属分散Al酸化物(シリカ及びチタニア分散)の触媒調製後のTEM-EDXのマッピング像(倍率10万倍)。
【
図8】実施例2で得られた二金属分散Al酸化物(触媒調製後)の模擬劣化処理後のTEM-EDXのマッピング像(倍率20万倍)。
【発明を実施するための形態】
【0017】
<二金属分散Al酸化物>
本発明において、排ガス浄化用触媒として使用される二金属分散Al酸化物は、アルミナ中に微量の微細なシリカ及びマグネシアまたはチタニアが分散された構造を有している。
【0018】
即ち、この二金属分散Al酸化物は、Al、Si及び金属M(Mは、MgまたはTi)の3元素基準で、Siを1.0~10.0モル%、特に1.5~8.0%及び金属Mを0.1~10.0モル%、特に0.3~6.0モル%の量で含んでいる。
図1及び
図4の電子顕微鏡写真(倍率20万倍)の画像解析により得られるマッピング像から算出される面積占有率(面積90,000nm
2当り)は、Si及び金属M(MgまたはTi)の何れも70%以上であり、微量のシリカ及びマグネシア或いはチタニアがアルミナ粒子中に偏在しておらず、高分散されている。
【0019】
また、このような二金属分散Al酸化物は、アルミナの細孔にPt等の触媒が担持されるが、これを高温に加熱したとき、アルミナの骨格内や粒子間隙に存在する微細なシリカやマグネシア或いはチタニアが細孔の熱収縮を抑制するように作用し、この結果として、細孔内に触媒が安定に保持され、高温での熱処理によっても触媒活性が損なわれず、このことが、後述する触媒活性の低下が抑制される一つの要因となっている。
【0020】
例えば、他金属含量(Si、Mg或いはTi含量)が前述した範囲よりも大きい場合には、アルミナ中に分散されているシリカ、マグネシア或いはチタニア含量が多く、この結果、細孔内への触媒担持に支障を来たし、触媒活性そのものが低下してしまう。また、他金属含量が前述した範囲よりも小さいときには、分散されている他金属含量が少ないため、アルミナ細孔の熱収縮を十分に抑制することができず、触媒活性の耐熱耐久性が低下する傾向がある。
【0021】
さらに、他金属粒子(シリカ粒子、マグネシア粒子或いはチタニア粒子)の面積占有率が前述した範囲より低い場合には、細孔の熱収縮の抑制に寄与する他金属粒子の量が少なくなるばかりか、粗大な粒子の存在により、微細な他金属粒子が偏在するようになり、結局、粒径の大きな粒子が多く存在することとなり、アルミナ細孔の熱収縮を十分に抑制することができず、触媒活性の耐熱耐久性が不満足なものとなる。
【0022】
尚、二金属分散Al酸化物中の骨格であるアルミナは、特に制限されるものではないが、γ、θ、δ、η、κ等の結晶構造を有するもの、特にγ-アルミナが好適である。
【0023】
さらに、本発明における二金属分散Al酸化物においては、Si、Mg或いはTiの他金属含量が前述した範囲にあることに関連して、一般に、窒素吸着法で測定した細孔容積が0.25~0.75cm3/gとかなり大きいが、これに加えて、その細孔分布曲線において、細孔直径が1~20nmの領域に細孔容積の極大値を有している。
【0024】
上記のような二金属分散Al酸化物は、これを模擬劣化試験に供したときにも、微量のシリカ、マグネシア或いはチタニアの高分散性は損なわれておらず、このAl酸化物に白金を担持させた場合において、模擬劣化試験による触媒活性の低下が有効に抑制されている。例えば、後述する実施例に示されているように、マグネシア或いはチタニアが分散されていないシリカ分散アルミナやアルミナ担体に白金を担持させたものは、触媒活性の低下が本発明に比して大きいものとなっている。
【0025】
この模擬劣化試験は、DPFの再生処理を念頭においたものであり、25℃で前記二金属分散Al酸化物に対して1.1倍質量の0.45%硫酸を滴下したものを650℃の温度に30分保持し、25℃に温度降下せしめるという熱サイクルを繰り返し10回行うという温度スイング処理を行った後、大気中、750℃、50時間保持するというエージング処理を行うというものである。
【0026】
上記の温度スイング処理は、硫酸の滴下により雰囲気中に硫黄が存在している状態で熱履歴を繰り返し加えるというものであり、実際のディーゼルエンジンに搭載されたときに行われるDPFの再生処理での熱履歴に極めて近い状態での熱処理である。
尚、触媒担体(或いは触媒)を650℃の温度に保持させる操作は、650℃に保持された炉内に触媒担体(或いは触媒)を導入することにより行われ、その後の25℃への温度降下は、この触媒担体(或いは触媒)を25℃に温度管理された雰囲気中に放置することにより行われる。また、硫酸の滴下は、1回の熱サイクルごとに行われる。
【0027】
本発明において、上記のように温度スイング処理後にエージング処理された場合においての触媒活性の低下が抑制されていることは、実験的に確認されたものであり、その理由については明確に解明されていない。しかるに、本発明者等は、前述した細孔の熱収縮が他金属により抑制されていると同時に、この二金属分散Al酸化物は、細孔分布の変動が小さいことが大きな要因となっているためではないかと考えている。
例えば、実施例で調製された二金属分散Al酸化物を参照して、これらは、細孔容積の極大値(極大ピーク)は4nm付近(初期位置)に存在し、高温処理後での極大値ピークは、細孔直径が2nmほど大きくなる側にシフトしているが、その後のエージング処理によって極大ピークの位置は、ほとんど変動しておらず、模擬劣化処理前後での極大ピークの変動は3.0nm以下(好ましくは1.0nm以下、特に好ましくは0.9nm以下)に抑制されている。
このような細孔容積の極大ピークの変動は、本発明で用いる二金属分散Al酸化物にみられる特有の現象である。即ち、表1及び
図5、
図6に示されているように、アルミナ粒子及びシリカ分散アルミナの何れも、温度スイング処理により極大ピークの位置はほとんど変動していないのであるが、温度スイング処理後のエージング処理によって、極大ピークの位置が大きく変動し、結局、模擬劣化処理前後では、極大ピークの位置は、前述した二金属分散Al酸化物に比して大きく変動していることが判る。
【0028】
このような細孔容積の極大ピークの位置変動は、硫黄に対する吸着性及び硫黄に対する耐性が大きく影響を与えているものと思われる。即ち、本発明で用いる二金属分散Al酸化物は、硫黄吸着性が高く、温度スイング処理により多くの硫黄を吸着し、その吸着によりアルミナの一部が破壊されるが、硫黄に対する耐性が高いと考えられ、このため、アルミナの破壊による細孔分布の変化(極大ピークの位置変動)が小さく抑制されており、その後のエージング処理によってアルミナ粒子の破壊はほとんど生ぜず、このため、エージング処理による極大ピークの位置変動は小さく、結果として、模擬劣化処理前後での極大ピークの位置の変動が小さく抑制されているのではないかと推測される。一方、アルミナやシリカ分散アルミナは、硫黄吸着性が低く、このため、温度スイング処理時では、硫黄によりアルミナの破壊は見かけ上生じていないのであるが、硫黄に対する耐性が低く、耐熱性が大きく低下しており、この結果、その後のエージング処理でのアルミナの破壊が生じ、結果として、模擬劣化処理前後での極大ピークの位置の変動が大きなものとなっていると思われる。
【0029】
このように、本発明で触媒担体として使用される二金属分散Al酸化物は、温度スイング処理及びその後のエージング処理に際して独特の細孔分布変化の挙動を示し、この結果として、触媒活性の低下が低く抑制されているものと考えられる。
【0030】
このような二金属分散Al酸化物を触媒担体として使用し、この触媒担体に貴金属触媒を担持させた排ガス浄化用触媒は、炭化水素(HC)や窒素酸化物(NOx)に対する浄化作用は、非常に高く、DPFの再生処理を含めて長期間の使用によっても、触媒活性の低下が有効に抑制され、長期の使用に極めて適している。
【0031】
<二金属分散Al酸化物の製造>
触媒担体として使用される本発明の二金属分散Al酸化物は、前述したように、極めて微細であり且つ微量の二種の他金属粒子(シリカ粒子及びマグネシア粒子もしくはチタニア粒子)が偏在することなく均一に分散しているという分散構造を有していると同時に、他金属粒子の含有に伴う細孔の小径化が抑制されており、しかも温度スイング処理及びエージング処理に際して独特の細孔分布変化挙動を示すため、単に微量の微細シリカやマグネシア或いはチタニアをアルミナに混合するという手段によって得ることはできず、アルミナヒドロゲルからアルミナを製造する過程で、ゾル形態のシリカ、マグネシア或いはチタニアを介在させておくと同時に、好ましくは、乾燥や焼成の熱処理を水分の存在下で行うという手段を採用することが必要である。
【0032】
具体的には、アルミナ源として硫酸アルミニウム溶液、シリカ源としてケイ酸の酸性ゾル及びマグネシア源として、硫酸アルミニウム溶液に溶解するマグネシウム化合物(例えば硫酸マグネシウム)、或いはチタニア源として、硫酸アルミニウム溶液に溶解するチタン化合物(例えばTiの硫酸塩)を使用し、これらの混合液を原料とする。ゲル化、水洗、乾燥及び焼成の工程を経て、2種の他金属(SiとMg、或いはSiとTi)の酸化物が分散したアルミナを製造するのであるが、特に乾燥や焼成の何れか、好ましくは焼成、最も好ましくは、乾燥及び焼成を水分の存在下で行うことが必要である。
【0033】
尚、上記の方法で用いるケイ酸の酸性ゾルの調製には、工業製品としてJISに規格されている水ガラスのケイ酸ソーダやケイ酸カリが使用される。
【0034】
また、この酸性ゾルは、酸性白土等の粘土質原料より回収した易反応性のシリカにアルカリ金属の水酸化物溶液を反応させてケイ酸アルカリを調製し、このケイ酸アルカリに塩酸や硫酸等の鉱酸を添加することによって製造することもできる。
例えば、SiO2分を21~23質量%含むケイ酸ソーダ水溶液と、42~45質量%の濃度の硫酸水溶液を、容積比で約4:1になる量で連続的に高速混合してpHが1.6~2.2の範囲になるように調整することにより、本発明で用いる酸性ゾルを得ることができる。
【0035】
上記のケイ酸の酸性ゾルと共に、MgやTiの硫酸塩水溶液をアルミナ源の硫酸アルミニウム溶液に加えて原料液を調製するが、これらの溶液は、Al、Si及び金属M(MgまたはTi)の3元素基準でのSi及び金属Mの量が前述した範囲内となるような量で使用される。
【0036】
上記の原料液を用いてのゲル化は、該液を45.0~80.0℃の温度に加熱したアルカリ溶液(例えば苛性ソーダや水酸化アンモニウムなど)に混合することにより行われ、ゲル形成後、水洗を行い、これにより、シリカ粒子やマグネシア粒子或いはチタニア粒子が分散固定された二金属分散アルミナヒドロゲルが得られる。
【0037】
上記で得られた二金属分散アルミナヒドロゲルを乾燥し、得られた空隙の多いキセロゲルを焼成することにより、目的とする二金属分散アルミナが得られる。
焼成温度は、一般に600~640℃程度である。この温度が高すぎると、細孔収縮が大きく、触媒の担持に不適当となるおそれがある。また、温度が低すぎると、粒子間空隙が大きく、この結果、細孔の熱収縮が大きくなるおそれがある。
【0038】
本発明では、好ましくは、乾燥及び焼成の何れかを水分の存在下で行う。即ち、理論的に解明されているわけではないが、熱履歴に際しては水分を介在させることにより、粒子、特にシリカ粒子の熱収縮が抑制され、本発明の二金属分散Al酸化物を製造する際にSi含有量を増やしたときに生じ得る細孔の小径化が抑制されるものと思われる。
【0039】
従って、乾燥は、所謂スチーム乾燥により行うことが好ましく、例えば60℃以上、特に100~200℃の蒸気を吹き付けることや乾燥機内の排気を抑えヒドロゲルからの水分を長時間滞留させながら乾燥を行う。
【0040】
また、焼成は、スチーム焼成により行うことが好ましい。このスチーム焼成は、キセロゲル自体から発生する水分を長時間滞留させながら焼成することができる容器で所定の焼成温度に加熱することにより行われる。
焼成温度は、一般に600~640℃程度である。この温度がα-アルミナ化するような高温だと、細孔収縮が大きく、触媒の担持に不適当となるおそれがある。また、温度が低すぎると、γ―アルミナ化しないおそれがある。
【0041】
尚、本発明においては、乾燥及び焼成の何れかを、上記のような水分存在下で行うことにより、目的とするシリカ分散アルミナを得ることができるが、好ましくは焼成をスチーム焼成とすることが好ましく、最も好ましくはスチーム乾燥とスチーム焼成との両方を行うのがよい。
【0042】
このようにして得られた二金属分散Al酸化物(アルミナ)は多孔質であり、内部に微量の微細な2種の他金属酸化物が均一に分散した構造を有しており、これにより、高温での熱処理による細孔の収縮が抑制され、さらには独特の細孔分布の変化挙動も発現し、触媒担体として優れた特性を示すことになる。
【0043】
また、この触媒担体は、アルミナ粒子中にシリカ及びマグネシア若しくはチタニアが分散している二金属分散Al酸化物からなるものであり、アルミナを主成分(マトリックス)とし、特に少量のシリカ粒子のほとんどが、粒径が10nm以下の微細なシリカの形態で分散しており、このため、Al、Si及び金属M(Mは、MgまたはTi)の3元素基準で、Siが1.0~10.0モル%の範囲内にある。これに加え、マグネシア若しくはチタニアにおいても、粒径が10nm以下の微細な形態で分散しており、同様の3元素基準で金属Mが0.1~10.0モル%、好ましくは0.3~6.0モル%、特に好ましくは0.5~5.0モル%の範囲内にある。この形態は、本願発明において、アルミナ源として硫酸アルミニウム溶液、シリカ源としてケイ酸の酸性ゾル及びマグネシア源として、硫酸アルミニウム溶液に溶解するマグネシウム化合物(例えば硫酸マグネシウム)、或いはチタニア源として、硫酸アルミニウム溶液に溶解するチタン化合物(例えばTiの硫酸塩)を使用し、これらの混合液を原料とすることで達成される。
【0044】
かかる二金属分散Al酸化物は、キセロゲルの焼成により得られるものであることに関連して比較的大きな比表面積を有しており、一般に、BET比表面積が150~450m2/g、好ましくは200~400m2/g、特に好ましくは250~350m2/gの範囲にある。
【0045】
<触媒>
上記のような特性を有する二金属分散Al酸化物は、例えば押出成形、造粒成形等の公知の方法によって、円筒状、粒状、錠剤等の種々の形態に成形し、これに白金族金属を担持させて排ガス浄化用触媒として使用され、炭化水素の分解、NOx及びカーボンの酸化等を促進させ、自動車等の排ガスを長期にわたってクリーンに浄化することができる。
【0046】
排ガス浄化用触媒として使用される白金族金属としては、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウムが代表的であるが、何れも極めて高価な貴金属である。このため、触媒活性を長期間にわたって維持させることができる本発明の排ガス浄化用触媒は、大幅なコストダウンを図ることができる。
また、上述した触媒担体として使用される二金属分散Al酸化物は、特に高価な白金族触媒以外にも、水素化精製触媒、水素化脱硫触媒、水素化脱窒素触媒等の触媒としての機能を有する他の金属、例えば、クロム、モリブデン、タングステン、鉄、コバルト、ニッケル、オスミウム、モリブデン-コバルト、モリブデン-ニッケル、タングステン-ニッケル、モリブデン-コバルト-ニッケル、タングステン-コバルト-ニッケルまたはモリブデン-タングステン-コバルト-ニッケル等を、必要に応じて担持させ、各種の触媒として使用することもできる。
【0047】
金属触媒の担持方法としては、上述した二金属分散Al酸化物の成形体(担体)を触媒金属の可溶性塩の溶液に浸漬し、該金属成分を担体中に導入する含浸法、或いは担体の製造の際、金属成分を同時に沈殿させる共沈法等、公知の方法を採用することができるが、操作上容易であり、触媒特性の安定化維持に好都合な含浸法によることが好ましい。例えば、担体を常温または常温以上で含浸溶液に浸漬して所望成分が十分担体中に含浸する条件下で保持するのがよい。含浸溶液の量および温度は、所望量の触媒金属成分が担持されるように適宜調整することができる。また、触媒金属成分の所望担持量により含浸溶液に浸漬する担体の量を決定することができる。
【0048】
尚、二種以上の触媒金属成分を担持するには、二種以上の触媒金属成分をあらかじめ混合し、その混合溶液から同時に含浸する一液含浸法を採用することができるし、また、二種以上の金属成分の溶液を別々に調製し、逐次含浸していく二液含浸法を採用することもできる。
【実施例】
【0049】
本発明を、次の実験例により詳細に説明する。
尚、以下の実験に用いた各種の測定方法は次の通りである。
【0050】
(1)組成分析;
アルミナ担体中の添加成分の定量は、Rigaku社製ZSX PrimusIIを用いて蛍光X線分析にて行った。
【0051】
(2)BET比表面積、細孔容積および細孔直径;
Micromeritics社製TriStarII 3020を用いて窒素吸着法にて測定を行った。細孔容積は、脱離側窒素吸着等温線からBJH法で求めた細孔分布において細孔直径2.0nm~50nmまでの細孔容積を積算して求めた。比表面積は比圧が0.05から0.20の吸着側窒素吸着等温線からBET法で解析した。平均細孔直径はP/P0=0.975未満のN2吸着量をVとし、比表面積をAとして4V/Aより計算して求めた。ピークトップ細孔直径は、細孔分布曲線から、細孔容積が極大を示す細孔直径領域を読み取った。
【0052】
(3)電子顕微鏡観察(TEM-EDX)および画像解析;
透過型電子顕微鏡で200,000倍の倍率で観察したTEM像を用いて、EDX分析を行ってSiおよび金属Mをマッピングし、これを画像解析ソフト「ImageJ」を用いて解析し90,000nm2中のSiおよび金属Mの面積占有率を求めた。
【0053】
(4)触媒調製;
二金属分散Al酸化物に対して0.75質量%Pt+0.25質量%Pdとなるように白金およびパラジウムのジニトロジアンミン硝酸溶液を含浸担持し、水素中400℃で還元し空気中500℃で処理したものをエージング前試料とし、これを空気中750℃でエージング処理を行ったものをエージング後試料とした。
【0054】
(5)HC、NO酸化活性
常圧固定床流通反応法により行った。試料40mgに模擬排ガスとしての200ppmNO+1,800ppmC10H22(デカン)+200ppmC11H10(α-メチルナフタレン)+10%H2O+5%O2(N2希釈)を400mL・min-1流通させ、500℃から階段状に降温し、HCが50%転化する温度、及び350℃におけるNOからNO2への転化率を求めた。各試料の結果を表2に示した。
【0055】
(6)模擬劣化試験;
磁性るつぼに入れた触媒試料(エージング前試料)1gに対して、濃度0.45質量%の硫酸を1.1gの割合で、室温下で試料全体に均一に染み込ませた後に、650℃で30分焼成し、空冷するまでを1サイクルとして、10サイクル繰り返したものを温度スイング処理品とした。得られた温度スイング処理品をさらに空気中、750℃で50時間焼成(模擬劣化処理)したものを温度スイング+エージング処理品とした。
【0056】
(実施例1)
アルミナ源の原料として硫酸アルミニウム水溶液(Al
2O
3 11.3%、SO
3 14.5%、SG 1.25)を使用した。シリカ源の原料としてケイ酸ソーダ(SiO
2 22.5%、Na
2O 7.2%、SG 1.30)と45%濃度の硫酸を両者が瞬時接触を可能な装置を用いてケイ酸ソーダを7.5L/min、硫酸を2.0L/minを該装置に供給し、この溶液に等倍の水を加えて酸性シリカゾルを調製した。硫酸アルミニウム水溶液540gに対し、酸性シリカゾル28gを注加し撹拌混合したものに、マグネシア源として硫酸マグネシウム七水和物(和光一級)粉末5.1gを加えて撹拌溶解し、これを水1,200mLと49%苛性ソーダ130gを混ぜ60℃に加熱した容器に注加して二金属分散アルミナヒドロゲルを得た。このゲルを60℃に加温したイオン交換水で、洗浄液が3μS/cm以下になるまで洗浄し、150℃で乾燥後、620℃で焼成して二金属分散Al酸化物を得た。得られた二金属分散Al酸化物について物性測定を行い結果を表1に、触媒調製後(エージング後試料)のTEM-EDXによるマッピングを
図1に、温度スイング+エージング処理後のマッピングを
図2に、細孔分布曲線を
図3に示す。
【0057】
(実施例2)
硫酸マグネシウムの代わりに、チタニア源として硫酸チタン溶液(関東化学、鹿一級、30%溶液)16.6gを使用した以外は実施例1と同様にして行い二金属分散Al酸化物を得た。物性測定の結果を表1に、細孔分布曲線を
図4に示す。
【0058】
(比較例1)
特開2014-140839の比較例6と同様にしてアルミナを得た。物性測定の結果を表1に、細孔分布曲線を
図5に示す。
【0059】
(比較例2)
特開2014-140839の実施例2-1と同様にしてシリカ分散アルミナを得た。物性測定の結果を表1に、細孔分布曲線を
図6に示す。
【0060】
(実験例1)
硫酸マグネシウムの代わりに硝酸ニッケル(II)六水和物(和光特級)を使用した以外は実施例1と同様にして行い二金属分散Al酸化物を得た。
【0061】
(実験例2)
硫酸マグネシウムの代わりに硝酸セリウム(III)六水和物(和光特級)を使用した以外は実施例1と同様にして行い二金属分散Al酸化物を得た。
【0062】
(実験例3)
硫酸マグネシウムの代わりに硝酸銀(和光一級)を使用した以外は実施例1と同様にして行い二金属分散Al酸化物を得た。
【0063】
(実験例4)
硫酸マグネシウムの代わりに硝酸ジルコニル二水和物(和光一級)を使用した以外は実施例1と同様にして行い二金属分散Al酸化物を得た。
【0064】
(実験例5)
硫酸マグネシウムの代わりに硫酸第一鉄七水和物(和光一級)を使用した以外は実施例1と同様にして行い二金属分散Al酸化物を得た。
【0065】
(実験例6)
硫酸マグネシウムの代わりに硫酸銅五水和物(和光特級)を使用した以外は実施例1と同様にして行い二金属分散Al酸化物を得た。
【0066】
(実験例7)
硫酸マグネシウムの代わりに硝酸バリウム(和光特級)を使用した以外は実施例1と同様にして行い二金属分散Al酸化物を得た。
【表1】
【表2】
【0067】
表1より、本発明の二金属分散Al酸化物(実施例1、2)は微量のMgもしくはTiが存在することにより、比較例1と比較して温度スイング+エージング処理後で高いNO酸化活性を示す。更に、実施例1は微細なMgが均一分散することにより、温度スイング+エージング処理による細孔分布のピークトップ変化が起きにくく、細孔構造を維持していることが特徴である。
【0068】
前述の実験例は、金属Mとして、MgまたはTiの代わりに、Ni、Ce、Ag、Zr、Fe、Cu、Baからなる金属群から選択される少なくとも1種を用いて製造した二金属分散Al酸化物からなる排ガス浄化用触媒担体の評価結果である。実験例の排ガス浄化用触媒担体においても、金属Mは原料を溶液として使用していることから、本発明と同様に、金属Mは粒径が10nm以下の微細な形態で分散しており、同様の3元素基準で金属Mが0.1~10.0モル%の範囲内にある。従って、これらの二金属分散Al酸化物もまた、排ガス浄化用触媒担体として用いることは特に制限がない。