JP7262975B2 - Ceria-Zirconia Composite Oxygen Absorption-Desorption Material and Exhaust Gas Purification Catalyst - Google Patents
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Description
本発明は低温域(200~800℃)で大きい酸素吸放出特性が発現するセリア・ジルコニア系複合酸化物酸素吸収放出材料および排ガス浄化触媒に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a ceria-zirconia composite oxide oxygen absorbing/releasing material and an exhaust gas purifying catalyst exhibiting high oxygen absorbing/releasing properties in a low temperature range (200 to 800° C.).
自動車等の内燃機関から排出される排ガス中には、炭化水素(HC)、一酸化炭素(CO)、窒素酸化物(NOx)等の有害な成分が含まれるため、排ガス浄化触媒により浄化し、大気放出する必要がある。 Exhaust gas emitted from internal combustion engines such as automobiles contains harmful components such as hydrocarbons (HC), carbon monoxide (CO), and nitrogen oxides ( NOx ). , must be released into the atmosphere.
このような排ガスの有害成分を浄化する為に三元触媒がある。前記触媒には酸化物等の担体に白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)等の貴金属を担持した触媒が広く用いられている。 A three-way catalyst is used to purify such harmful components of the exhaust gas. Catalysts in which noble metals such as platinum (Pt), palladium (Pd) and rhodium (Rh) are carried on carriers such as oxides are widely used as the catalysts.
三元触媒において、貴金属の働きを高めるためには、燃料と空気の比(空燃比)を一定に(理論空燃比に)保つのが好ましいが、様々な走行状態に変動するような運転状況に応じて空燃比は大きく変化する。このため、酸素センサーを用いたフィードバック制御によりエンジンの作動条件によって変動する空燃比(A/F)を一定に保つようにしているが、フィードバック時間に応じたA/Fの時間的な変動が発生するため、エンジン制御だけで排ガス雰囲気を理論空燃比あるいはその近傍に保持することは難しい。 In a three-way catalyst, it is preferable to keep the ratio of fuel and air (air-fuel ratio) constant (to the stoichiometric air-fuel ratio) in order to enhance the function of precious metals. Accordingly, the air-fuel ratio changes greatly. For this reason, feedback control using an oxygen sensor is used to keep the air-fuel ratio (A/F) constant, which fluctuates depending on the operating conditions of the engine, but A/F changes over time according to the feedback time. Therefore, it is difficult to maintain the exhaust gas atmosphere at or near the stoichiometric air-fuel ratio only by engine control.
このため、触媒側で雰囲気を微調整する必要が有る。セリア(酸化セリウムCeO2)は酸素吸放出特性(Oxygen Storage Capacity、以下に「OSC」と称する)を有するため、自動車排ガス浄化用触媒の酸素分圧調製用の助触媒として広く用いられている。これはCe3+/Ce4+のレドックス反応を利用したものである。前記セリアは、一般にその特性を高めるためジルコニア(酸化ジルコニウムZrO2)と固溶させたセリア・ジルコニア系複合酸化物として使用されている。 Therefore, it is necessary to finely adjust the atmosphere on the catalyst side. Ceria (cerium oxide CeO 2 ) has an oxygen storage capacity (hereinafter referred to as “OSC”), and is therefore widely used as a co-catalyst for adjusting the oxygen partial pressure of automobile exhaust gas purification catalysts. This utilizes the redox reaction of Ce 3+ /Ce 4+ . Ceria is generally used as a ceria-zirconia composite oxide in which it is dissolved with zirconia (zirconium oxide ZrO 2 ) in order to enhance its properties.
前記セリア・ジルコニア系複合酸化物は、一般にPt、Pd、Rh等といった触媒金属が担持された状態でアルミナを数%ないし数十%の割合で混合され、金属ハニカムまたはセラミックスハニカムの内壁に十数μmないし数百μmの厚さにウォッシュコート(被覆)され、触媒コンバーター(ハニカム触媒構造体)として使用される。 The ceria-zirconia-based composite oxide is generally mixed with alumina at a rate of several percent to several tens of percent in a state in which catalyst metals such as Pt, Pd, and Rh are supported, and is applied to the inner wall of a metal honeycomb or a ceramic honeycomb. It is wash-coated (coated) to a thickness of μm to several hundred μm and used as a catalytic converter (honeycomb catalyst structure).
近年の排ガス規制の強化に伴い、触媒の高活性や高寿命等の性能を向上すべく、触媒金属及びその担体酸化物についてそれぞれ検討されている。特に200~400℃における低温域下でのより大きいOSCが得られ、還元化学種(たとえば一酸化炭素やプロピレン)を酸化する技術の要求が高い。 With the tightening of exhaust gas regulations in recent years, catalyst metals and their carrier oxides have been investigated in order to improve the performance of catalysts, such as high activity and long life. In particular, a higher OSC can be obtained under a low temperature range of 200 to 400° C., and there is a high demand for a technique for oxidizing reduced chemical species (eg, carbon monoxide and propylene).
例えば、セリア・ジルコニア系複合酸化物酸素吸収放出材料、排ガス浄化触媒、及び排ガス浄化用ハニカム構造体の性能向上に関する従来技術には、以下のようなものがある。特許文献1では、低温で排ガス浄化性能を高めることを目的として、セリア・ジルコニア系複合酸化物相と少なくとも1種の希土類酸化物相が含まれる酸素吸収放出材料であって、前記希土類酸化物相がセリア・ジルコニア系複合酸化物相に直接結合した構造を有し、前記希土類含有量が、希土類酸化物相/(希土類酸化物+セリア・ジルコニア系複合酸化物相)モル比で0を超え0.3以下である酸素吸収放出材料が記載されている。このようにすることで、セリア・ジルコニア系複合酸化物に担持された貴金属触媒の活性を向上し、低温での排ガス浄化性能を向上することができると記されている。しかしながら、200℃近傍の具体的な低温域下でより大きなOSCが得られる粒子構造に特化した事例は報告されていない。
For example, there are the following conventional techniques for improving the performance of a ceria-zirconia composite oxide oxygen absorbing/releasing material, an exhaust gas purifying catalyst, and a honeycomb structure for exhaust gas purifying.
特許文献1では、200℃近傍の低温から大きなOSCを示すと記載はあるが、セリウムとジルコニウムの比率がモル比で0.7≦Zr/(Ce/Zr)≦0.85の範囲とCe含有量が低く、1000~1300℃の温度範囲で還元処理された固溶粒子であることが記されている。本発明のような二相が共存しているような粒子構造を取らず、低温OSC発現という記述はない。
特許文献2ではCeO2とZrO2を主成分とする複合酸化物を含む担体に貴金属を担持したものが100~500℃の還元性雰囲気化において放出される酸素量が理論限界値の80%であるという特性が記述されているものの、低温領域200℃近傍の酸素放出量の記載はない。且つ、粒子形状による低温時のOSC量改善に関する記述はない。
In
特許文献3で溶融法由来のセリウム-ジルコニウム複合酸化物と湿式法由来の二酸化セリウムを混在させたことを特徴とする酸化セリウム-酸化ジルコニウム系複合酸化物、並びにセリウム含有溶液に溶融法由来のセリウム-ジルコニウム複合酸化物を分散させ、中和した後、熱処理することを特徴とする酸化セリウム-酸化ジルコニウム系複合酸化物であるが、600℃で15μmol-O2・g-1と非常にOSC量は小さい。
In
特許文献4ではAl/(Ce+Zr)が1/20~50/20の範囲であるCeO2-ZrO2-Al2O3複合酸化物であり、酸素放出速度を高めて低温活性が向上させたものである。さらに担体の耐熱性を維持しつつPtの粒成長を抑制することで低温活性を高めている。しかし本発明の様な粒子構造を改良して高いOSC量が得たという記述はない。
特許文献5ではセリア・ジルコニア複合酸化物のOSC量が記載されているが、200℃における低温域のOSCから算出されたセリア利用率は10~30%と低い。本発明が開発した前述セリア・ジルコニア粉末の低温域におけるセリア利用率は48%以上であり、それよりも高い。 Patent Document 5 describes the amount of OSC in the ceria-zirconia composite oxide, but the ceria utilization rate calculated from the OSC in the low temperature range at 200° C. is as low as 10 to 30%. The ceria utilization rate in the low temperature range of the ceria-zirconia powder developed by the present invention is 48% or more, which is higher than that.
上記のように、近年、排ガス浄化触媒は、低温域でのOSC量が低く、低温域浄化率が低いことが課題であった。このため、より低温域(200~800℃)での酸素放出能が要求されており、それに対応する開発が継続されている。しかしながら、従来の排ガス浄化触媒では400℃以下の低温使用環境下での酸素放出量は満足できるものとはなっておらず、更なる改良が望まれている。 As described above, in recent years, exhaust gas purifying catalysts have had the problem that the amount of OSC in the low temperature range is low and the purification rate in the low temperature range is low. Therefore, there is a demand for oxygen release capacity in a lower temperature range (200 to 800° C.), and developments corresponding to this are being continued. However, conventional exhaust gas purifying catalysts are not satisfactory in the amount of oxygen released under low-temperature use environments of 400° C. or less, and further improvements are desired.
そこで、本発明は上記実情に鑑み、400℃以下の低温域での比較的低温環境下における使用環境でもより多くの酸素が放出できるセリア・ジルコニア系複合酸化物酸素吸収放出材料を提供することを課題とする。 Therefore, in view of the above circumstances, the present invention aims to provide a ceria-zirconia-based composite oxide oxygen-absorbing/releasing material that can release more oxygen even in a relatively low-temperature environment of 400°C or lower. Make it an issue.
上記課題を解決するため、本発明者らは鋭意研究し、セリア・ジルコニア系複合酸化物粒子の表層に還元性化学種の吸着相を存在させると、直接還元分子がセリア・ジルコニア複合酸化物粒子表面に吸着することが防ぐことができ、表層の酸素欠陥相形成を防ぐことができる。その結果、400℃以下のOSC量が194~361μmol-O2・g-1の大きなOSC量が得られ、且つ、CeO2利用率が45~72%以上となることを見出して本発明を完成した。
すなわち、本発明の要旨は以下のとおりである。
In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have made intensive studies and found that when an adsorbed phase of reducing chemical species is present on the surface layer of the ceria-zirconia composite oxide particles, the direct reduction molecules are generated in the ceria-zirconia composite oxide particles. Adsorption to the surface can be prevented, and formation of an oxygen defect phase in the surface layer can be prevented. As a result, it was found that a large OSC amount of 194 to 361 μmol-O 2 ·g −1 was obtained at 400°C or less, and the CeO 2 utilization rate was 45 to 72% or more, and the present invention was completed. bottom.
That is, the gist of the present invention is as follows.
(1) セリア・ジルコニア複合酸化物は80~120pmイオン半径をもつ希土類元素の少なくとも1種を含有する粒子であって、該粒子表面が還元性化学種の吸着相となる電気陰性度が0.89~1.22の酸化物で修飾されていることを特徴とするセリア・ジルコニア系複合酸化物酸素吸放出材料。 (1) The ceria-zirconia composite oxide is particles containing at least one rare earth element having an ionic radius of 80 to 120 pm, and the particle surface has an electronegativity of 0.0. A ceria-zirconia composite oxide oxygen storage/release material characterized by being modified with an oxide of 89 to 1.22.
(2) 前記電気陰性度が0.89~1.22の酸化物は、希土類又はアルカリ土類金属の酸化物であり、且つ酸化物の含有量は全体の2~20質量%であることを特徴とする前記(1)に記載のセリア・ジルコニア系複合酸化物酸素吸放出材料。 (2) The oxide having an electronegativity of 0.89 to 1.22 is a rare earth or alkaline earth metal oxide, and the content of the oxide is 2 to 20% by mass of the total. The ceria-zirconia-based composite oxide oxygen storage/release material according to (1).
(3) 前記セリア・ジルコニア系複合酸化物は、80~120pmイオン半径をもつLa、Y、Ndの希土類元素の少なくとも1種を含有し、該希土類元素のイオンをセリア・ジルコニア系複合酸化物におけるカチオン総量に対してモル比で0.5mol%以上22mol%未満含有することを特徴とする前記(1)または(2)に記載のセリア・ジルコニア系複合酸化物酸素吸放出材料。 (3) The ceria-zirconia composite oxide contains at least one of the rare earth elements La, Y, and Nd having an ionic radius of 80 to 120 pm, and the ions of the rare earth elements are added to the ceria-zirconia composite oxide. The ceria-zirconia-based composite oxide oxygen storage/release material according to (1) or (2) above, characterized by containing 0.5 mol % or more and less than 22 mol % of the total amount of cations.
(3) 前記セリア・ジルコニア系複合酸化物は、80~120pmイオン半径をもつLa、Y、Ndの希土類元素の少なくとも1種を含有し、該希土類元素のイオンをセリア・ジルコニア系複合酸化物におけるカチオン総量に対してモル比で0.5mol%以上22mol%未満含有することを特徴とする前記(1)または(2)に記載のセリア・ジルコニア系複合酸化物酸素吸放出材料。 (3) The ceria-zirconia composite oxide contains at least one of the rare earth elements La, Y, and Nd having an ionic radius of 80 to 120 pm, and the ions of the rare earth elements are added to the ceria-zirconia composite oxide. The ceria-zirconia-based composite oxide oxygen storage/release material according to (1) or (2) above, characterized by containing 0.5 mol % or more and less than 22 mol % of the total amount of cations.
(4) 400℃の低温領域における酸素吸放出特性(OSC量)が248~361μmol-O2・g-1、且つ、CeO2利用率が48~72%であることを特徴とする前記(1)~(3)のいずれかに記載のセリア・ジルコニア系複合酸化物酸素吸放出材料。 (4) The above (1) characterized by having an oxygen absorption/desorption characteristic (OSC amount) in a low temperature range of 400° C. of 248 to 361 μmol-O 2 ·g −1 and a CeO 2 utilization rate of 48 to 72%. ) to (3).
(5) 200℃の低温領域における酸素吸放出特性(OSC量)が194~327μmol-O2・g-1、且つ、CeO2利用率が45~57%であることを特徴とする前記(1)~(3)のいずれかに記載のセリア・ジルコニア系複合酸化物酸素吸放出材料。 (5) The above (1) characterized by having an oxygen absorption/desorption characteristic (OSC amount) in a low temperature range of 200° C. of 194 to 327 μmol-O 2 ·g −1 and a CeO 2 utilization rate of 45 to 57%. ) to (3).
(6) 前記(1)~(5)のいずれかに記載のセリア・ジルコニア系複合酸化物酸素吸放出材料に、貴金属を担持してなることを特徴とする排ガス浄化触媒。 (6) An exhaust gas purifying catalyst comprising a ceria-zirconia composite oxide oxygen storage/release material according to any one of (1) to (5) above and carrying a noble metal thereon.
本発明によれば、200~800℃の低温領域、特に400℃以下の低温領域でOSC量が194~361μmol-O2・g-1の大きなOSC量を示すセリア・ジルコニア系複合酸化物酸素吸収放出材料とすることができる。すなわち、本発明のセリア・ジルコニア系複合酸化物酸素吸収放出材料では、理論OSC量の45~72%が発現し、還元雰囲気時にセリア・ジルコニア表層に酸素欠損濃縮相発現が抑制され、セリア・ジルコニア粒子全体の酸素放出が可能となり、400℃低温領域下で酸素理論容量により近いOSC量発現が可能となった。
また、セリア・ジルコニア系複合酸化物からなる酸素吸放出材料を、自動車排ガス浄化触媒に使用すれば、400℃以下の低温領域でも排ガス浄化を良好に行うことができるという顕著な効果を奏する。
According to the present invention, a ceria-zirconia-based composite oxide exhibiting a large OSC amount of 194 to 361 μmol-O 2 ·g −1 in a low temperature range of 200 to 800°C, particularly in a low temperature range of 400°C or less, absorbs oxygen. It can be an emissive material. That is, in the ceria-zirconia-based composite oxide oxygen absorption-release material of the present invention, 45 to 72% of the theoretical OSC amount is expressed, the oxygen deficiency concentrated phase expression is suppressed in the ceria-zirconia surface layer in a reducing atmosphere, and the ceria-zirconia Oxygen can be released from the entire particle, and an OSC amount closer to the theoretical oxygen capacity can be expressed in a low temperature range of 400°C.
In addition, if the oxygen absorbing/releasing material composed of the ceria-zirconia-based composite oxide is used for automobile exhaust gas purification catalysts, it has a remarkable effect of being able to satisfactorily purify exhaust gases even in a low temperature range of 400° C. or less.
以下、本発明について詳細に説明する。 The present invention will be described in detail below.
本発明の酸素吸収放出材料は、セリア・ジルコニア系複合酸化物に少なくとも1種の希土類元素イオンを含むセリア・ジルコニア複合酸化物であり、希土類元素イオンが含まれることにより、セリア・ジルコニア系複合酸化物の酸素吸収放出特性、耐久性、耐熱性等を向上させることができる。そして、セリア・ジルコニア系複合酸化物を基材(母相)とし、その粒子表層に還元性化学種の吸着相が修飾された二相が共存しているような粒子構造とすることで、セリア・ジルコニア粒子全体の酸素放出が可能となり、酸素理論容量により近いOSC量発現が可能となった。 The oxygen absorbing/releasing material of the present invention is a ceria-zirconia composite oxide containing at least one rare earth element ion in the ceria-zirconia composite oxide. It is possible to improve the oxygen absorption/release characteristics, durability, heat resistance, etc. of the product. Then, by using a ceria-zirconia-based composite oxide as a base material (mother phase) and forming a particle structure in which two phases in which a reducing chemical species adsorption phase is modified on the particle surface layer coexist, ceria・Oxygen can be released from the entire zirconia particles, and an OSC amount closer to the theoretical oxygen capacity can be expressed.
まず、OSC量発現の理由について図3を参酌して説明する。 First, the reason why the amount of OSC is expressed will be described with reference to FIG.
図3はPd担持有品と担持無品のOSC発現の差の原因を示した概念図で、図3(a)はPd担持有品、図3(b)はPd担持無品の例を示した概念図である。
図3(a)に示すように、酸素吸収放出材料としてのセリア・ジルコニア系複合酸化物(CZ)に触媒貴金属(PGM)としてのPdが担持されていない場合には、CZ基材(母相)1の粒子表面に多くの還元分子、例えば、水素3(H2)が流れてくると、CZ基材1の粒子ごく表層のCeO2だけがCeO1.5(CeO2⇒CeO1.5+O0.5)となり、酸素を取り出し、水4(H2O)とすることができる。しかし、表層の酸素ばかりが選択的に取り出されることとなり、その結果、CZ基材(母相)1の粒子表面に酸素欠陥層5が発現してしまい、粒子中央部の酸素は、表層まで移動することが出来ない。このことにより酸化物内のO2-イオンが枯渇し、特に低温域ではそのイオン伝導度が低く乏しい為、粒子中央部から供給される酸素(O2-イオン)が少なく、比較的取り出せる酸素量が低くなり、O2-+H+⇒H2O+e--の還元反応が進まなくなる。その結果、粒子表層に多量の酸素欠陥層5が形成され、高いOSC量が得られない。
FIG. 3 is a conceptual diagram showing the cause of the difference in OSC expression between Pd-supported and non-supported products. FIG. 3(a) shows an example of Pd-supported product, and FIG. It is a conceptual diagram.
As shown in FIG. 3( a ), when Pd is not supported as a catalytic precious metal (PGM) on ceria-zirconia composite oxide (CZ) as an oxygen absorbing/releasing material, the CZ base material (mother phase ), when many reducing molecules such as hydrogen 3 (H 2 ) flow onto the particle surface of 1, only CeO 2 in the very surface layer of the
一方、図3(b)に示すように、酸素吸収放出材料に触媒貴金属(PGM)としてのPdが担持されている場合には、還元分子である水素3(H2)が流れてくると、Pd触媒6上でCZ基材(母相)1中からの酸素(O)7により、O2-+H+⇒H2O+e-反応がスムーズに進行し、CZ基材(母相)1の粒子表面に還元分子3のH2が吸着せず、粒子表層に多量の酸素欠陥形成部位が発現しにくい。したがって、Pd触媒担持した助触媒ではPd触媒担持無の場合よりもOSC量がより大きく発現しやすい。
On the other hand, as shown in FIG. 3(b), when Pd is supported as a catalytic precious metal (PGM) on the oxygen absorbing/releasing material, when hydrogen 3 (H 2 ), which is a reducing molecule, flows, On the
しかし、反応しなかった一部の還元分子は粒子表層に吸着し、局所的な酸素欠陥部位を形成してしまうという問題がある。この酸素欠陥部位の形成を抑制すれば低温域下でもさらにより大きいOSC量を発現させることができると推察できる。 However, there is a problem that some of the reduced molecules that have not reacted are adsorbed on the particle surface layer and form local oxygen defect sites. It can be inferred that if the formation of this oxygen defect site is suppressed, an even greater amount of OSC can be expressed even in a low temperature range.
そこで本発明では、局所的な酸素欠陥部位の形成を抑制し、低温域下でより大きいOSC量を得る為に、図1のセリア・ジルコニア系複合酸化物の粒子イメージ図に示すように、セリア・ジルコニア系複合酸化物の基材(母材)1に還元性化学種を捕集する吸着相2として希土類金属酸化物やアルカリ土類金属酸化物で修飾された二相共存の粒子構造を設計した。この二相共存の粒子構造とすることで、より低温域下、例えば200℃で大きなOSC量(CeO2利用率)が得られるセリア・ジルコニア系複合酸化物酸素吸放出材料を実現できた。
Therefore, in the present invention, in order to suppress the formation of local oxygen defect sites and obtain a larger amount of OSC in a low temperature range, ceria and A two-phase coexistent particle structure modified with rare-earth metal oxides and alkaline-earth metal oxides was designed as an
すなわち、より大きなOSC量が得られるようにするためには、母材の上に吸着相がある状態のセリア・ジルコニア酸化物で実現できる。この吸着相には低い電気陰性度の金属元素を利用した。金属元素は希土類あるいはアルカリ土類金属元素であり、電気陰性度が0.89~1.22の範囲の金属元素を酸化物としてセリア・ジルコニア複合酸化物の粒子表面に修飾し、それを吸着相として機能させることで酸素吸放出材料とすることができる。さらにその粒子表面に触媒貴金属(PGM)を担持することで排ガス浄化触媒が実現できる。 That is, in order to obtain a larger amount of OSC, ceria-zirconia oxide having an adsorbed phase on the base material can be used. A low electronegativity metallic element was used for this adsorption phase. The metal element is a rare earth or alkaline earth metal element, and the metal element having an electronegativity in the range of 0.89 to 1.22 is modified as an oxide on the particle surface of the ceria-zirconia composite oxide, and it is used as an adsorption phase. It can be used as an oxygen storage/release material by functioning as Furthermore, by carrying catalytic precious metals (PGM) on the particle surface, an exhaust gas purifying catalyst can be realized.
担持される触媒貴金属(PGM)としては、Au、Ag、Pt、Pd、Rh、Ir、Ru、Os等の貴金属が挙げられるが、より好ましいのはAg、Pt、Pd、Rhである。貴金属は、セリア・ジルコニア系複合酸化物酸素吸収放出材料に担持されているものであり、セリア・ジルコニア系複合酸化物酸素吸収放出材料の表面に分散して存在する貴金属である。分散している貴金属は、金属又は酸化物で存在して10nm以下のサイズであるのが好ましい。貴金属の担持量(=貴金属/(貴金属+セリア・ジルコニア系複合酸化物酸素吸収放出材料))は、特に限定はしないが、触媒機能を十分に発揮させるためには0.01質量%以上10質量%以下が好ましく、より好ましくは0.1質量%以上10質量%以下である。 The catalyst noble metals (PGM) to be supported include noble metals such as Au, Ag, Pt, Pd, Rh, Ir, Ru, Os, etc. Ag, Pt, Pd, and Rh are more preferred. The noble metal is carried on the ceria-zirconia composite oxide oxygen absorption-release material, and is dispersed on the surface of the ceria-zirconia composite oxide oxygen absorption-release material. The dispersed noble metal is preferably present as a metal or oxide and has a size of 10 nm or less. The amount of noble metal supported (=noble metal/(noble metal + ceria-zirconia composite oxide oxygen absorption/release material)) is not particularly limited, but in order to sufficiently exhibit the catalytic function, it should be 0.01% by mass or more and 10% by mass. % or less, more preferably 0.1 mass % or more and 10 mass % or less.
そして、排ガス浄化用ハニカム構造体は、上記排ガス浄化触媒を常法通り、アルミナと数%ないし数十%の割合で混合して金属又はセラミックスハニカム内壁に十数μmないし、数百μmの厚さに被覆することで構成される。 Then, the exhaust gas purifying honeycomb structure is prepared by mixing the above exhaust gas purifying catalyst with alumina at a ratio of several percent to several tens of percent as usual, and forming a thickness of ten and several μm to several hundred μm on the inner wall of the metal or ceramic honeycomb. It is constructed by coating with
CZ基材(母相)に還元性化学種を捕集する吸着相で修飾した二相共存の粒子構造とすることで、低温OSCが実現できることを図4の概念図を参酌して説明する。図4(a)はセリア・ジルコニア系複合酸化物(CZ)の基材(母相)にNd2O3を吸着相として修飾したセリア・ジルコニア系複合酸化物酸素吸放出材料の顕微鏡写真であり、図4(b)は吸着相(Nd2O3)を付けた粒子がより大きな低温OSCを発現できることを説明するための概念図である。 With reference to the conceptual diagram of FIG. 4, low-temperature OSC can be realized by forming a two-phase coexistent particle structure in which the CZ base material (mother phase) is modified with an adsorption phase that traps reducing chemical species. FIG. 4(a) is a micrograph of a ceria-zirconia-based composite oxide oxygen storage/release material in which a ceria-zirconia-based composite oxide (CZ) base (mother phase) is modified with Nd 2 O 3 as an adsorption phase. , FIG. 4(b) is a conceptual diagram for explaining that particles with an adsorbed phase (Nd 2 O 3 ) can develop a larger low-temperature OSC.
図4(b)に示すように、還元性化学種(H2を例に説明する)であるH2(還元分子)3が流れてくると、H2は担持されたPd(1)やPd(2)のPd6触媒上でO2-+H+⇒H2O+e-反応がスムーズに進行し、水(H2O)4が生成するので、粒子表層に多量の酸素欠陥形成部位は発現しない。しかし、Pd(1)やPd(2)で反応できなかった還元分子(H2)3は局所的な酸素欠陥部位の原因となる。その還元分子3は吸着相であるNd2O3相8で捕集して、CZ基材(母相)1に吸着することを防ぐことができる。したがって、吸着相としてNd2O3相8を付けたCZ粒子では、粒子表面の局所的な酸素欠陥部位の発現を防止することができる。
As shown in FIG. 4(b), when H 2 (reduced molecule) 3, which is a reducing chemical species (explained with H 2 as an example), flows, H 2 is transferred to supported Pd(1) or Pd Since the O 2− +H + ⇒H 2 O+e − reaction proceeds smoothly on the Pd6 catalyst in (2) and water (H 2 O) 4 is produced, a large number of oxygen defect formation sites do not appear on the particle surface layer. However, the reduced molecule (H 2 ) 3 that could not react with Pd(1) or Pd(2) causes local oxygen defect sites. The reduced
このように、セリア・ジルコニア複合酸化物の粒子表面を吸着相で修飾することより酸素欠陥相発現を抑制し、粒子全体からPd活性点に酸素を供給し、400℃以下の低温領域でもセリア利用率が高まり(セリア利用率45~72%)、大きなOSC量を発現させることが可能となった。 In this way, by modifying the particle surface of the ceria-zirconia composite oxide with an adsorbed phase, the appearance of the oxygen defect phase is suppressed, oxygen is supplied to the Pd active sites from the entire particle, and ceria can be used even in the low temperature range of 400 ° C. or less. The rate increased (45 to 72% ceria utilization rate), making it possible to express a large amount of OSC.
本発明のセリア・ジルコニア系複合酸化物(希土類元素の少なくとも1種を含有する)の基材(母相)に希土類又はアルカリ土類金属の酸化物(吸着相)を修飾した二相共存粒子構造において、基材(母相)は、80~120pmイオン半径をもつ希土類元素の少なくとも1種を含有するセリア・ジルコニア系複合酸化物粒子であって、基材中の希土類元素の酸化物相はセリア・ジルコニア系複合酸化物相に直接結合した構造を有し、希土類含有量が、希土類酸化物相/(希土類酸化物+セリア・ジルコニア系複合酸化物相)モル比で0を超え0.3以下であることが好ましい。 A two-phase coexisting particle structure in which the substrate (mother phase) of the ceria-zirconia composite oxide (containing at least one rare earth element) of the present invention is modified with a rare earth or alkaline earth metal oxide (adsorption phase) , the base material (mother phase) is ceria-zirconia composite oxide particles containing at least one rare earth element having an ionic radius of 80 to 120 pm, and the oxide phase of the rare earth element in the base material is ceria・It has a structure that is directly bonded to the zirconia-based composite oxide phase, and the rare earth content is more than 0 and 0.3 or less in the rare earth oxide phase/(rare earth oxide + ceria/zirconia-based composite oxide phase) molar ratio. is preferably
また、還元性化学種を捕集する吸着相は、低い電気陰性度の元素の酸化物を利用した。すなわち、希土類あるいはアルカリ土類金属の酸化物を使用する。希土類あるいはアルカリ土類金属の酸化物はセリア・ジルコニア複合酸化物粒子表面を修飾し、且つ吸着相に用いる希土類金属イオンあるいはアルカリ土類金属イオンの金属元素については、電気陰性度が0.89~1.22の範囲のものを使用し、希土類あるいはアルカリ土類金属の酸化物でセリア・ジルコニア系複合酸化物の表面を修飾してある。 Also, the adsorption phase that scavenges the reducing species utilized oxides of low electronegativity elements. That is, oxides of rare earth or alkaline earth metals are used. The rare earth or alkaline earth metal oxide modifies the surface of the ceria-zirconia composite oxide particles, and the metal element of the rare earth metal ion or alkaline earth metal ion used in the adsorption phase has an electronegativity of 0.89 to 0.89. The range of 1.22 is used, and the surface of the ceria-zirconia composite oxide is modified with a rare earth or alkaline earth metal oxide.
希土類酸化物としては、Y2O3、Nd2O3、CeO2、La2O3、Gd2O3、Pr6O11やこれらの複合酸化物、例えばCe1-xNdxO2-0.5x等を用いることができる。アルカリ土類金属の酸化物としては、CaO、SrO、BaOを用いることができる。 Examples of rare earth oxides include Y 2 O 3 , Nd 2 O 3 , CeO 2 , La 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Pr 6 O 11 and composite oxides thereof such as Ce 1-x Nd x O 2- 0.5x or the like can be used. CaO, SrO and BaO can be used as oxides of alkaline earth metals.
表1に希土類金属イオンおよびアルカリ土類金属イオンの電気陰性度および電気陰性度評価(○:優、△:良、×:不良)を示す。 Table 1 shows the electronegativity of rare earth metal ions and alkaline earth metal ions and the electronegativity evaluation (○: excellent, Δ: good, ×: poor).
金属元素の電気陰性度が0.89未満の金属元素を使用した場合では、電気陰性度が大きくなり、PやSまで引き寄せ、酸化物が被毒され、劣化しやすい。その反面、電気陰性度が1.22を超える場合、電子をひきつける力が小さくなってしまい、効果が薄れる可能性が考えられる。 When a metallic element having an electronegativity of less than 0.89 is used, the electronegativity becomes large and attracts P and S, poisoning the oxide and easily degrading it. On the other hand, if the electronegativity exceeds 1.22, the electron-attracting power becomes weaker, and the effect may be diminished.
したがって、本発明では電気陰性度が0.89~1.22の範囲の希土類又はアルカリ土類金属イオンを使用した。 Therefore, the present invention used rare earth or alkaline earth metal ions with electronegativities in the range of 0.89 to 1.22.
前記吸着相に使用している金属酸化物に含まれる酸素原子の負電荷は、前記酸素原子と前記酸素原子に隣接する原子との電気陰性度の差が大きいほど大きくなる。この負電荷が大きくなると前記吸着相の酸化物に含まれる酸素原子と金属イオン間で働く静電気的相互作用が強くなるため、還元分子等の化学種を引き寄せ、吸着相として働く。 The negative charge of the oxygen atoms contained in the metal oxide used in the adsorption phase increases as the difference in electronegativity between the oxygen atoms and the atoms adjacent to the oxygen atoms increases. As this negative charge increases, the electrostatic interaction between oxygen atoms and metal ions contained in the oxide of the adsorption phase becomes stronger, attracting chemical species such as reduced molecules and acting as an adsorption phase.
吸着相がセリア・ジルコニア系複合酸化物相の表層に存在していた場合、直接還元分子がセリア・ジルコニア複合酸化物粒子表面に吸着することが防ぐことができ、表層の酸素欠陥相形成を防ぐことができる。 When the adsorbed phase exists on the surface layer of the ceria-zirconia composite oxide phase, it is possible to prevent the direct reduction molecules from being adsorbed on the surface of the ceria-zirconia composite oxide particles, thereby preventing the formation of the oxygen defect phase on the surface layer. be able to.
なお、本発明は上記推察によって限定されるものではない。 In addition, the present invention is not limited by the above conjecture.
よって、本発明のセリア・ジルコニア系複合酸化物酸素吸放出材料では、セリア・ジルコニア系複合酸化物に前述吸着相が修飾されていることが重要である。その吸着相には低電気陰性度の金属元素を用い、且つセリア・ジルコニア系複合酸化物に80~120pmイオン半径をもつ希土類元素が含まれていることが重要である。単なるセリア・ジルコニア系複合酸化物では低温域において、大きなOSC量(200℃-OSC量が290μmol-O2・g-1以上)は得ることが出来ない。 Therefore, in the ceria-zirconia-based composite oxide oxygen storage/release material of the present invention, it is important that the ceria-zirconia-based composite oxide is modified with the aforementioned adsorption phase. It is important that the adsorption phase uses a metal element with low electronegativity and that the ceria-zirconia composite oxide contains a rare earth element with an ionic radius of 80-120 pm. A mere ceria-zirconia composite oxide cannot provide a large amount of OSC (200° C.-OSC amount of 290 μmol-O 2 ·g −1 or more) in a low temperature range.
本発明のセリア・ジルコニア系複合酸化物酸素吸収放出材料とは、セリア・ジルコニア系複合酸化物であって、前記セリア・ジルコニア系複合酸化物において、80~120pmイオン半径をもつLa、Y、Ndの希土類元素が少なくとも1種が含まれることを特徴とする酸素吸放出材料で、少なくとも1種の希土類元素イオンが前記セリア・ジルコニア複合酸化物中に含有されている。イオン半径が80pm未満の場合は結晶格子が小さくなり、セリアの酸化還元反応を阻害する恐れがある。一方、120pmを越えるイオン半径の金属イオンを使用した場合、セリア・ジルコニア複合酸化物と固溶しない恐れがある為、80~120pmのイオン半径の希土類を使用することとした。図2にセリア・ジルコニア系複合酸化物に使用する希土類及びアルカリ土類金属カチオン種の各金属のイオン半径/pmを示した。使用するに適したイオンは、3価希土類金属イオンのY3+、Nd3+、La3+、4価希土類金属イオンのZr4+、Ce4+、及び3価セリウム金属イオンのCe3+である。 The ceria-zirconia-based composite oxide oxygen absorption-release material of the present invention is a ceria-zirconia-based composite oxide in which La, Y, and Nd having an ionic radius of 80 to 120 pm are used in the ceria-zirconia-based composite oxide. wherein at least one rare earth element ion is contained in the ceria-zirconia composite oxide. If the ionic radius is less than 80 pm, the crystal lattice becomes small, which may hinder the oxidation-reduction reaction of ceria. On the other hand, if a metal ion with an ionic radius exceeding 120 pm is used, there is a risk that it will not form a solid solution with the ceria-zirconia composite oxide. FIG. 2 shows the ionic radius/pm of each metal of the rare earth and alkaline earth metal cationic species used in the ceria-zirconia composite oxide. Ions suitable for use are the trivalent rare earth metal ions Y 3+ , Nd 3+ , La 3+ , the tetravalent rare earth metal ions Zr 4+ , Ce 4+ and the trivalent cerium metal ions Ce 3+ .
セリア・ジルコニア系複合酸化物において、低電気陰性度酸化物は希土類、又は、アルカリ土類金属酸化物であり、且つ修飾されている酸化物の含有量は全体の2~20質量%であることを特徴とするセリア・ジルコニア系複合酸化物である。 In the ceria-zirconia composite oxide, the low electronegativity oxide is a rare earth or alkaline earth metal oxide, and the content of the modified oxide is 2 to 20% by mass of the total. A ceria-zirconia composite oxide characterized by
修飾されている酸化物の含有量が全体の2質量%未満であれば吸着効果が薄れ、局部的酸素欠陥部位が発現して200~400℃のような低温域で大きなOSC量(194~361μmol-O2・g-1且つCeO2利用率が45~72%)発現は期待できない。一方、20質量%を越えると、単位重量当たりの理論OSC量が減少し、OSC量の向上は確認しづらい。 If the content of the modified oxide is less than 2% by mass of the total, the adsorption effect is weakened, and local oxygen defect sites appear, resulting in a large amount of OSC (194-361 μmol −O 2 ·g −1 and CeO 2 utilization of 45-72%) expression cannot be expected. On the other hand, if it exceeds 20% by mass, the theoretical amount of OSC per unit weight decreases, and it is difficult to confirm an improvement in the amount of OSC.
したがって、本発明では、修飾されている酸化物の含有量は全体の2~20質量%とした。 Therefore, in the present invention, the content of modified oxides is set to 2 to 20 mass % of the total.
本発明では、セリア・ジルコニア系複合酸化物のOSC量の発現の効率を示す為、セリア利用率という指標を用いる。セリア・ジルコニア系複合酸化物に含有するセリア(CeO2)がすべて3価のセリア(CeO1.5)に還元された場合、セリア利用率:100%と表現し、その時のOSC量は理論容量に達する(CeO2→CeO1.5+0.25O2)。 In the present invention, an index of ceria utilization rate is used in order to indicate the efficiency of expression of the OSC amount of the ceria-zirconia-based composite oxide. When all the ceria (CeO 2 ) contained in the ceria-zirconia composite oxide is reduced to trivalent ceria (CeO 1.5 ), the ceria utilization rate is expressed as 100%, and the OSC amount at that time reaches the theoretical capacity. ( CeO2 → CeO1.5 + 0.25O2 ).
本発明の200~400℃の低温環境下で大きなOSCを発現するセリア・ジルコニア複合酸化物の酸素吸収放出材料の特徴としては、OSC量が200℃-OSC量が194μmol-O2・g-1以上、好ましくは194~327μmol-O2・g-1、且つCeO2利用率が45~57%、好ましくは47~55%であり、400℃-OSC量が248μmol-O2・g-1以上、好ましくは248~361μmol-O2・g-1且つCeO2利用率が48~72%、好ましくは48~61%の酸素吸収放出材料である。 The ceria-zirconia composite oxide oxygen absorbing/releasing material that exhibits a large OSC in a low temperature environment of 200 to 400° C. according to the present invention is characterized by an OSC amount of 200° C. and an OSC amount of 194 μmol-O 2 ·g −1 . Above, preferably 194 to 327 μmol-O 2 ·g −1 , a CeO 2 utilization rate of 45 to 57%, preferably 47 to 55%, and a 400°C-OSC amount of 248 μmol-O 2 ·g −1 or more. , preferably 248-361 μmol-O 2 ·g -1 and a CeO 2 utilization of 48-72%, preferably 48-61%.
セリア・ジルコニア複合酸化物において、200℃の低温域でCeO2(セリア)利用率が45%以上となり、且つOSC量が194μmol-O2・g-1以上であり、400℃の低温域でCeO2利用率が48%以上となり、且つOSC量が248μmol-O2・g-1以上となることが確認される現象については完全に解明されていないが、希土類元素イオンをセリア・ジルコニア系複合酸化物におけるカチオン総量に対してモル比で0.5mol%以上22mol%未満、好ましくは2.5mol%以上20mol%以下、且つ修飾されている酸化物の含有量(修飾量)は全体の2~20質量%である。 In the ceria-zirconia composite oxide, the CeO 2 (ceria) utilization rate is 45% or more in the low temperature range of 200 ° C., the OSC amount is 194 μmol-O 2 · g -1 or more, and the CeO 2 The phenomenon that the utilization rate is 48% or more and the OSC amount is 248 μmol-O 2 ·g −1 or more has not been completely clarified, but rare earth element ions are ceria-zirconia composite oxidation 0.5 mol% or more and less than 22 mol%, preferably 2.5 mol% or more and 20 mol% or less, and the modified oxide content (modification amount) is 2 to 20 mol% of the total amount of cations in the product. % by mass.
本発明のセリア・ジルコニア系複合酸化物酸素吸収材の製造方法は、通常知られているセリア・ジルコニア系複合酸化物を製造する方法を取ることが出来る。 As a method for producing the ceria-zirconia composite oxide oxygen absorber of the present invention, a generally known method for producing a ceria-zirconia composite oxide can be employed.
本発明での低温域のOSC量は島津社製のASAP(型番:ASAP2020)を使用して測定した。前述のセリア・ジルコニア複合酸化物にPdを0.5質量%担持させ、600℃×1時間焼成し、Pd触媒を担持したサンプルをOSC量測定用サンプルとした。 In the present invention, the amount of OSC in the low temperature range was measured using ASAP (model number: ASAP2020) manufactured by Shimadzu Corporation. 0.5% by mass of Pd was supported on the ceria-zirconia composite oxide described above, and the sample was calcined at 600° C. for 1 hour to support the Pd catalyst, which was used as a sample for measuring the amount of OSC.
ASAP測定前に予め予備乾燥(減圧下200℃×40分以上保持)したOSC量測定用サンプルをASAPで測定した。 A sample for OSC amount measurement that had been pre-dried (at least 40 minutes at 200°C under reduced pressure) prior to ASAP measurement was measured by ASAP.
ASAP専用ガラス管の底部にガラスウール:0.1gの束を2つ詰め、その上にPd担持した前述セリア・ジルコニア複合酸化物を0.15g詰め、さらにその上から0.1gのガラスウールを置いた。ガラスウールの役割は減圧時に前述セリア・ジルコニア粉末が吹き飛び、発散することを防止するためである。 Two bundles of 0.1 g of glass wool were packed at the bottom of an ASAP-dedicated glass tube, and 0.15 g of the aforementioned ceria-zirconia composite oxide supporting Pd was packed thereon. placed. The role of the glass wool is to prevent the aforementioned ceria-zirconia powder from blowing off and scattering when the pressure is reduced.
このような設定を施したASAP専用ガラス管をASAPに取り付け、200℃×10分(減圧)した後、200℃×10分(純水素フロー)し、再度減圧状態で保持(10分間保持しリークチェック実施)した後、定量・定圧の純酸素を専用ガラス管に送り、その圧力変動により酸素吸収量を割り出し、OSC量(μmol-O2・g-1)を算出した。 Attach the ASAP dedicated glass tube with such settings to the ASAP, 200 ° C. x 10 minutes (reduced pressure), then 200 ° C. x 10 minutes (pure hydrogen flow), and hold again in a reduced pressure state (hold for 10 minutes and leak After carrying out a check), pure oxygen was supplied to a dedicated glass tube at a fixed amount and at a constant pressure, and the amount of oxygen absorbed was determined from the pressure fluctuation, and the amount of OSC (μmol-O 2 ·g −1 ) was calculated.
OSC理論容量(μmol-O2・g-1)、Ce利用率(%)の算出方法について説明をする。 A method for calculating the OSC theoretical capacity (μmol-O 2 ·g -1 ) and the Ce utilization rate (%) will be described.
理論OSC量(%)はセリアの価数変動によってもたらされる為、下記式(1)のように示される。 The theoretical OSC amount (%) is given by the following formula (1) because it is caused by the valence change of ceria.
4CeO2 ⇔ 2Ce2O3 + O2 ・・・(1) 4CeO 2 ⇔ 2Ce 2 O 3 + O 2 (1)
式(1)よりCe 4molに対して、酸素1mol放出される。CZ 1gから放出されるOSC理論容量(μmol-O2・g-1)は下記式(2)のように示される。 According to the formula (1), 1 mol of oxygen is released with respect to 4 mol of Ce. The theoretical capacity of OSC (μmol-O 2 ·g −1 ) released from 1 g of CZ is given by the following formula (2).
CCe ÷ (MCe + 2MO)÷ 4 ÷ 100 ・・・(2) C Ce ÷ ( MCe + 2M O ) ÷ 4 ÷ 100 (2)
ここで上記式(2)の記号説明をする。
CCe:試料内に含有するCe含有量(mass%)、MCe:Ce原子量(140.116g/mol)、MO:O原子量(15.999g/mol)
Here, the symbols of the above formula (2) will be explained.
C Ce : Ce content in the sample (mass%), M Ce : Ce atomic weight (140.116 g/mol), MO : O atomic weight (15.999 g/mol)
Ce利用率(%)は観測された実測OSC容量(μmol-O2・g-1)を上記式(2)で算出したOSC量(μmol-O2・g-1)で割り、パーセント表記にした値をCe利用率(%)とした。それらをまとめると下記式(3)のようになる。 The Ce utilization rate (%) is obtained by dividing the actually measured OSC capacity (μmol-O 2 ·g -1 ) by the OSC amount (μmol-O 2 ·g -1 ) calculated by the above formula (2), and expressed as a percentage. The obtained value was defined as the Ce utilization rate (%). Putting them together gives the following formula (3).
ここで上記式(3)についての記号について説明する。
A:試料のOSC量(μmol-O2/%)、CCe:試料内のCe含有量(mass%)
Here, symbols for the above formula (3) will be explained.
A: OSC amount of sample (μmol-O 2 /%), C Ce : Ce content in sample (mass%)
以下に本発明の実施例および比較例に基づいて本発明の効果を詳細に説明する。但し、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 The effects of the present invention will be described in detail below based on examples and comparative examples of the present invention. However, the present invention is not limited to these examples.
[実施例1]
第一段階塩化セリウム溶液、オキシ塩化ジルコニウム溶液、塩化ランタン溶液と純水を混合し、カチオン比でCe:Zr:La=34.0:60.7:4.6mol/Lとなるような溶液1(リットル)を得た。得られた混合溶液にペルオキソ二硫酸アンモニウムを15g添加し、撹拌しながら95℃まで加熱し、セリウム・ジルコニウム複合硫酸塩を得た。得られた硫酸塩スラリーを60℃まで冷却後、アンモニア水を加えて中和し、水酸化物を含むスラリーを得た。得られたスラリーを濾過-洗浄操作を4回繰り返した後、120℃乾燥、700℃焼成、乳鉢粉砕を行い希土類元素イオンを含むセリア・ジルコニア系複合酸化物(Ce0.34Zr0.607La0.046O1.977)を得た。
[Example 1]
第二段階として、第一段階で得られた粉末を解砕後、セリア・ジルコニア系酸化物で水系スラリーを作製後、焼成後の表面修飾物が2質量%となるように調整したNd塩溶液を添加し、溶液のpHを変化させて酸化物表面に水酸化物を沈殿させ、夾雑イオンを取り除いたのち加熱焼成し、粒子表面上に酸化ネオジム(Nd2O3)を析出させた。 In the second step, after pulverizing the powder obtained in the first step, an aqueous slurry is prepared from the ceria-zirconia oxide, and the Nd salt solution is prepared so that the surface modifier after firing is 2% by mass. was added, and the pH of the solution was changed to precipitate hydroxide on the oxide surface. After removing contaminant ions, the particles were heated and sintered to precipitate neodymium oxide (Nd 2 O 3 ) on the particle surface.
セリア・ジルコニア複合酸化物表面に酸化ネオジム(Nd2O3)を析出させた粒子において、Pdを担持した。ASAPにてOSC量を測定したところ低温域の200℃で278μmol-O2・g-1が実測値として観測された。これは200℃のCeO2利用率が47%であり、低温域(200℃)で比較的大きなOSC量が確認できた。また、低温域の400℃で312μmol-O2・g-1が実測値として観測された。これは400℃のCeO2利用率が52%であり、低温域(200~400℃)で比較的大きなOSC量が確認できた。 Pd was supported on particles obtained by depositing neodymium oxide (Nd 2 O 3 ) on the surface of the ceria-zirconia composite oxide. When the amount of OSC was measured by ASAP, 278 μmol-O 2 ·g -1 was observed as a measured value at 200°C in the low temperature range. The CeO 2 utilization rate at 200°C was 47%, and a relatively large amount of OSC was confirmed in the low temperature range (200°C). In addition, 312 μmol-O 2 ·g −1 was observed as a measured value at 400°C in the low temperature range. The CeO 2 utilization rate at 400° C. was 52%, and a relatively large amount of OSC was confirmed in the low temperature range (200 to 400° C.).
[実施例2~4]
実施例1の第一段階で示したセリア・ジルコニア複合酸化物に表面修飾物が2質量%の吸着相となる希土類酸化物種類を変えたものである。いずれも低温域の200℃でセリア利用率が45~48%、低温域の400℃でセリア利用率が48~54%の大きなOSC量が確認された。
[Examples 2 to 4]
This is the same as the ceria-zirconia composite oxide shown in the first stage of Example 1, except that the type of rare earth oxide that becomes the adsorbed phase with 2% by mass of the surface modifier is changed. In both cases, a large amount of OSC was confirmed, with a ceria utilization rate of 45 to 48% at a low temperature range of 200°C and a ceria utilization rate of 48 to 54% at a low temperature range of 400°C.
[実施例5、6]
実施例1に示した基材(母相)の組成を変えたものである。いずれも低温域の200℃および400℃でセリア利用率が50%前後の大きなOSC量が確認された。
[Examples 5 and 6]
The composition of the substrate (mother phase) shown in Example 1 was changed. In both cases, a large amount of OSC with a ceria utilization rate of around 50% was confirmed at low temperatures of 200°C and 400°C.
[実施例7~16]
実施例1の第一段階で示したセリア・ジルコニア複合酸化物に表面修飾物を5質量%に増加した吸着相となる希土類酸化物またはアルカリ土類金属酸化物の種類を変えたものである。いずれも低温域の200℃でセリア利用率が51~57%、低温域の400℃でセリア利用率が57~63%の大きなOSC量が確認された。
[Examples 7 to 16]
The ceria-zirconia composite oxide shown in the first stage of Example 1 was modified by increasing the amount of surface modifiers to 5% by mass and changing the type of rare earth oxide or alkaline earth metal oxide used as the adsorption phase. In both cases, a large amount of OSC was confirmed, with a ceria utilization rate of 51 to 57% at a low temperature range of 200°C and a ceria utilization rate of 57 to 63% at a low temperature range of 400°C.
[実施例17、18]
実施例17、18はそれぞれ実施例5、6の組成の複合酸化物に表面修飾物である吸着相の希土類酸化物(Nd2O3)の修飾量を2%から5%に増加させた実施例である。いずれも低温域の200℃および400℃でセリア利用率が50%以上の大きなOSC量が確認された。
[Examples 17 and 18]
In Examples 17 and 18, the amount of modification of the composite oxides having the compositions of Examples 5 and 6 with rare earth oxide (Nd 2 O 3 ) in the adsorbed phase, which is a surface modifier, was increased from 2% to 5%. For example. In both cases, a large amount of OSC with a ceria utilization rate of 50% or more was confirmed at the low temperature range of 200°C and 400°C.
[実施例19~24]
実施例19~24は、それぞれ実施例1~6の組成のセリア・ジルコニア複合酸化物に表面修飾物である吸着相の希土類酸化物の修飾量を10%に増加させた実施例である。いずれも低温域の200℃および400℃でセリア利用率が47%以上の大きなOSC量が確認された。
[Examples 19 to 24]
Examples 19 to 24 are examples in which the ceria-zirconia composite oxide having the composition of each of Examples 1 to 6 was modified by increasing the amount of modification of the rare earth oxide in the adsorption phase, which is the surface modifier, to 10%. In both cases, a large amount of OSC with a ceria utilization rate of 47% or more was confirmed at 200° C. and 400° C. in the low temperature range.
[実施例25~30]
実施例25~30は、それぞれ実施例19~24の組成の複合酸化物に表面修飾物である吸着相の希土類酸化物の修飾量を20%に増加させた実施例である。いずれも低温域の200℃および400℃でセリア利用率が46%以上の大きなOSC量が確認された。
[Examples 25-30]
Examples 25 and 30 are examples in which the composite oxides having the compositions of Examples 19 and 24 were modified with 20% of the rare earth oxide in the adsorbed phase as a surface modifier. In both cases, a large amount of OSC with a ceria utilization rate of 46% or more was confirmed at 200° C. and 400° C. in the low temperature range.
なお、これらの実施例において、表面修飾物である吸着相として、Nd、Y、Ce、La、Gd、Prの各希土類酸化物およびCeとNdとの複合酸化物、または、Ca、Sr、Baの各アルカリ土類金属酸化物を用いる例を示した。これらの吸着相の形成方法は、実施例1のNa2O3を形成した第二段階の工程と同様に各希土類またはアルカリ土類金属の塩溶液を用いることによって形成できる。例えば、実施例14の吸着相にアルカリ土類金属のCaを使用する場合は、第二段階として、第一段階で得られた粉末を解砕後、セリア・ジルコニア系酸化物で水系スラリーを作製後、焼成後の表面修飾物が5質量%となるように調整したCa塩溶液を添加し、溶液のpHを炭酸アンモニウムで酸化物表面に炭酸塩を沈殿させ、粒子表面上を修飾する。この後の焼成工程後、CaOが修飾されたセリア・ジルコニア粒子表面が出来る。 In these examples, as the adsorbed phase which is a surface modifier, rare earth oxides of Nd, Y, Ce, La, Gd and Pr, composite oxides of Ce and Nd, or Ca, Sr and Ba An example using each alkaline earth metal oxide of is shown. These adsorbed phases can be formed by using a salt solution of each rare earth or alkaline earth metal, similar to the second stage process for forming Na 2 O 3 in Example 1. For example, when alkaline earth metal Ca is used for the adsorption phase in Example 14, as the second step, after pulverizing the powder obtained in the first step, an aqueous slurry is prepared with a ceria-zirconia oxide. After that, a Ca salt solution is added so that the surface modifier after firing is 5% by mass, and the pH of the solution is adjusted with ammonium carbonate to precipitate carbonate on the oxide surface and modify the particle surface. After this subsequent firing step, a CaO-modified ceria-zirconia particle surface is obtained.
[比較例1~5]
比較例1~5では実施例1に示した第一段階のセリア・ジルコニア複合酸化物酸素吸収放出材料において、含有する希土類元素イオンの種類および含有量が異なり、且つ、表面に酸化物修飾をしなかった場合のOSC量の例である。すなわち、比較例1は、実施例1~4、7~16、19~22、25~28に相当する組成のセリア・ジルコニア系酸化物表面に酸化物修飾をしなかった場合の例であり、比較例2は、実施例5、17、23、29に相当する組成のセリア・ジルコニア系酸化物表面に酸化物修飾をしなかった場合の例であり、比較例4は、実施例6、24、30に相当する組成のセリア・ジルコニア系酸化物に表面に酸化物修飾をしなかった場合の例である。
比較例は、低温域(200℃および400℃)では、いずれも実施例で確認されたような大きなOSC量が見受けられなかった。
[Comparative Examples 1 to 5]
In Comparative Examples 1 to 5, in the first-stage ceria-zirconia composite oxide oxygen absorption-release material shown in Example 1, the type and content of rare earth element ions contained were different, and the surface was modified with an oxide. This is an example of the amount of OSC when there is no OSC. That is, Comparative Example 1 is an example in which the surface of the ceria-zirconia oxide having the composition corresponding to Examples 1 to 4, 7 to 16, 19 to 22, and 25 to 28 was not modified with an oxide. Comparative Example 2 is an example in which the surface of the ceria-zirconia-based oxide having the composition corresponding to Examples 5, 17, 23, and 29 was not modified with an oxide, and Comparative Example 4 is an example in which the oxide modification was not performed. , 30 in which the surface was not modified with an oxide.
In the comparative examples, in the low temperature range (200° C. and 400° C.), no large amount of OSC was observed as confirmed in the examples.
これらの実施例、比較例の結果を表2に纏めて示し、また、図5に代表例を示した。 The results of these Examples and Comparative Examples are summarized in Table 2, and a representative example is shown in FIG.
表3、4に示すように、実施例1~4、7~16、19~22、25~28および実施例5、17、23、29ならびに実施例5、17、23、29は基材(母材)の組成は統一し、吸着相に用いる酸化物種を変え、その効果を検証した例を示した。この目的は吸着相の効果を検証する為であるが、実施例では吸着相に用いる酸化物種および修飾量を変えたが、いずれも低温域(200~400℃)でセリア利用率が45%以上の大きなOSC量が確認された。
なお、比較例では吸着相は付与せず、基材(母材)を変えた場合の結果を示しているが、大きなOSC量が見受けられなかった。
As shown in Tables 3 and 4, Examples 1-4, 7-16, 19-22, 25-28 and Examples 5, 17, 23, 29 and Examples 5, 17, 23, 29 are substrates ( The composition of the base material) was unified, and the oxide species used in the adsorption phase was changed, and an example was shown in which the effect was verified. The purpose of this is to verify the effect of the adsorbed phase. In the examples, the oxide species and the amount of modification used in the adsorbed phase were changed, but in all cases the ceria utilization rate was 45% or more in the low temperature range (200 to 400 ° C). A large amount of OSC was confirmed.
In the comparative example, no adsorbed phase was added, and the result of changing the base material (base material) was shown, but a large amount of OSC was not observed.
1 CZ基材(母相)
2 吸着相(希土類金属酸化物、アルカリ土類金属酸化物)
3 H2
4 H2O
5 酸素欠陥層
6 Pd
7 O
8 Nd2O3
1 CZ base material (mother phase)
2 Adsorption phase (rare earth metal oxides, alkaline earth metal oxides)
3H2
4H2O
5 Oxygen defect layer
6 Pd
7O
8 Nd2O3
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