JP2018202408A - NOx DECOMPOSITION CATALYST STRUCTURE AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME, AND NOx TREATMENT DEVICE AND CATALYST MOLDED BODY - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の担体と、ペロブスカイト型酸化物を含有する金属酸化物からなるNOx分解触媒物質とを備えるNOx分解触媒構造体及びその製造方法、ならびに、NOx処理装置及び触媒成形体に関する。 The present invention relates to a NOx decomposition catalyst structure comprising a porous support composed of a zeolite type compound, and a NOx decomposition catalyst material composed of a metal oxide containing a perovskite oxide, and a method for producing the NOx decomposition catalyst structure, and NOx The present invention relates to a processing apparatus and a catalyst molded body.
従来から発電所や自動車等から発生し、生活環境を汚染する有害物質である、例えば窒素酸化物(NOx)等を除去するための環境触媒としては、例えばペロブスカイト型酸化物が挙げられる(例えば非特許文献1)。 As an environmental catalyst for removing, for example, nitrogen oxide (NOx), which is a harmful substance that has been conventionally generated from power plants and automobiles and pollutes the living environment, for example, a perovskite oxide is used (for example, non-oxide). Patent Document 1).
ペロブスカイト型酸化物を使用した環境触媒としては、例えば特許文献1に、窒素酸化物分解触媒の活性成分である金属複合酸化物のうち少なくとも1種類の組成が、一般式AB1-x Mx O3+-z(但しAはアルカリ土類元素から選ばれた1種類の金属、Bはチタン族元素から選ばれた1種類の金属、Mは鉄族、白金族または銅族元素から選ばれた1種類の金属、0<x<1、zは常温大気圧時における金属酸化物の酸素欠陥数或は酸素過剰数)で表され、触媒活性成分である金属複合酸化物のうち少なくとも1種類が、SrTiO3 ペロブスカイト型結晶構造を有する分解触媒が記載され、また、特許文献2には、このようなペロブスカイト型結晶構造を有する金属複合酸化物を、塩基性金属酸化物(MgO等)の担体に担持させた窒素酸化物分解触媒が記載されている。
As an environmental catalyst using a perovskite oxide, for example,
しかしながら、ペロブスカイト型酸化物は、原料粉末が焼成時(約600〜1000℃)の熱によって凝集しやすいため、この凝集によって細孔が閉塞し、触媒の比表面積が低減して、吸着及び分解性能が低下する傾向がある。また、ペロブスカイト型酸化物を含有する触媒は、触媒を活性化するための温度が高く、700℃以上の温度では比較的高い触媒性能を示すものの、650℃以下の温度では殆ど触媒性能を示さない場合がある。なお、触媒性能とは、例えば窒素酸化物の吸着性能等をいう。 However, perovskite type oxides tend to agglomerate due to heat during firing (about 600-1000 ° C.), so that the pores are blocked by this aggregation, reducing the specific surface area of the catalyst, and adsorption and decomposition performance. Tends to decrease. Further, a catalyst containing a perovskite oxide has a high temperature for activating the catalyst, and exhibits a relatively high catalytic performance at a temperature of 700 ° C. or higher, but hardly exhibits a catalytic performance at a temperature of 650 ° C. or lower. There is a case. The catalyst performance refers to, for example, nitrogen oxide adsorption performance.
焼成時や高温使用時に発生する熱の影響によって生じがちなペロブスカイト型酸化物の凝集を抑制することを可能にした従来技術としては、例えば特許文献3に記載されている。特許文献3の記載によれば、触媒が、ペロブスカイト型複合酸化物と複合酸化物スペーサーと貴金属とで構成され、複合酸化物スペーサーを含有することによって、ペロブスカイト型複合酸化物同士の凝集や、凝集による細孔の閉塞が抑制され、BET法により算出される比表面積を増大させることができるとともに、触媒が粉末状に製造され、かかる粉末状触媒(触媒微粒子)を使用すると触媒の比表面積を増大させることができるとしている。 For example, Patent Document 3 discloses a conventional technique that can suppress the aggregation of the perovskite oxide that tends to occur due to the influence of heat generated during firing or high temperature use. According to the description in Patent Document 3, the catalyst is composed of a perovskite complex oxide, a complex oxide spacer, and a noble metal, and by containing the complex oxide spacer, the perovskite complex oxide is aggregated or aggregated. The specific surface area calculated by the BET method can be increased, and the catalyst is produced in the form of powder. When such a powdered catalyst (catalyst fine particles) is used, the specific surface area of the catalyst is increased. It can be made to.
しかしながら、特許文献3に記載の触媒は、触媒微粒子を担体に担持した使用態様については何ら開示がなく、また、上記構成をもつ触媒微粒子を担体で担持した構造にする場合、通常は、担体の内部に触媒微粒子を含有させることが難しく、担体の外表面に触媒粒子を保持(固着)する構成にしかできず、この構成だと、触媒微粒子同士が、窒素酸化物等の排ガス(流体)から受ける力(圧力)や熱などの影響(作用)によって凝集(シンタリング)が生じやすいという問題がある。 However, the catalyst described in Patent Document 3 does not disclose any use mode in which catalyst fine particles are supported on a carrier, and when the catalyst fine particles having the above-described structure are supported on a carrier, the catalyst is usually used. It is difficult to contain the catalyst fine particles inside, and it can only be configured to hold (adhere) the catalyst particles on the outer surface of the carrier. With this configuration, the catalyst fine particles are separated from exhaust gas (fluid) such as nitrogen oxides. There is a problem that aggregation (sintering) is likely to occur due to the influence (action) of the force (pressure) and heat received.
本発明の目的は、NOx分解触媒物質を、ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の担体の内部に含有させて適正に存在させる構成を採用することによって、NOx分解触媒物質同士の凝集を抑制し、NOx分解触媒物質の機能低下を防止して長期にわたって安定した機能を発揮することができるNOx分解触媒構造体及びその製造方法、ならびに、NOx処理装置及び触媒成形体を提供することにある。 The object of the present invention is to suppress the aggregation of NOx decomposition catalyst materials by adopting a configuration in which the NOx decomposition catalyst material is properly present by being contained in a porous structure support composed of a zeolite type compound. An object of the present invention is to provide a NOx decomposition catalyst structure that can prevent a decrease in the function of the NOx decomposition catalyst material and exhibit a stable function over a long period of time, a method for manufacturing the NOx decomposition catalyst structure, a NOx treatment apparatus, and a catalyst molded body.
本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の担体と、担体に内在する、ペロブスカイト型酸化物を含有する金属酸化物からなる少なくとも1つのNOx分解触媒物質とを備え、担体が、互いに連通する通路を有し、NOx分解触媒物質が、担体の少なくとも通路に存在していることによって、NOx分解触媒物質の機能(例えば触媒機能等)の低下が抑制され、長寿命化を実現できるNOx分解触媒構造体が得られることを見出し、かかる知見に基づき本発明を完成させるに至った。 As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have obtained a porous structure carrier composed of a zeolite-type compound, and a metal oxide containing a perovskite oxide, which is present in the carrier. At least one NOx decomposition catalyst material, and the carrier has a passage communicating with each other, and the NOx decomposition catalyst material is present in at least the passage of the carrier, whereby the function of the NOx decomposition catalyst material (for example, the catalyst) It has been found that a NOx decomposition catalyst structure capable of realizing a long life can be obtained, and the present invention has been completed based on such knowledge.
すなわち、本発明の要旨構成は、以下のとおりである。
[1]ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の担体と、前記担体に内在する、ペロブスカイト型酸化物を含有する金属酸化物からなる少なくとも1つのNOx分解触媒物質とを備え、前記担体が、互いに連通する通路を有し、前記NOx分解触媒物質が、前記担体の少なくとも前記通路に存在していることを特徴とするNOx分解触媒構造体。
[2]前記NOx分解触媒物質は、金属酸化物微粒子であることを特徴とする、上記[1]に記載のNOx分解触媒構造体。
[3]前記通路は、前記ゼオライト型化合物の骨格構造によって画定される一次元孔、二次元孔及び三次元孔のうちのいずれかと、前記一次元孔、前記二次元孔及び前記三次元孔のうちのいずれとも異なる拡径部と、をもち、かつ前記金属酸化物微粒子が少なくとも前記拡径部に存在していることを特徴とする、上記[2]に記載のNOx分解触媒構造体。
[4]前記拡径部は、前記一次元孔、前記二次元孔及び前記三次元孔のうちのいずれかを構成する複数の孔同士を連通していることを特徴とする 、上記[3]に記載のNOx分解触媒構造体。
[5]前記金属酸化物微粒子の平均粒径が、前記通路の平均内径よりも大きく、且つ前記拡径部の内径以下であることを特徴とする、上記[3]又は[4]に記載のNOx分解触媒構造体。
[6]前記金属酸化物微粒子の金属元素(M)が、前記自動車用還元触媒構造体に対して0.5〜2.5質量%で含有されていることを特徴とする、上記[2]〜[5]のいずれか1項に記載のNOx分解触媒構造体。
[7]前記金属酸化物微粒子の平均粒径が、0.1〜50nmであることを特徴とする、上記[2]〜[6]のいずれか1項に記載のNOx分解触媒構造体。
[8]前記金属酸化物微粒子の平均粒径が、0.5nm〜14.0nmであることを特徴とする、上記[7]に記載のNOx分解触媒構造体。
[9]前記通路の平均内径に対する前記金属酸化物微粒子の平均粒径の割合が、0.06〜500であることを特徴とする、上記[2]〜[8]のいずれか1項に記載のNOx分解触媒構造体。
[10]前記通路の平均内径に対する前記金属酸化物微粒子の平均粒径の割合が、0.1〜45であることを特徴とする、上記[9]に記載のNOx分解触媒構造体。
[11]前記通路の平均内径に対する前記金属酸化物微粒子の平均粒径の割合が、1.7〜4.5であることを特徴とする、上記[10]に記載のNOx分解触媒構造体。
[12]前記通路は、前記ゼオライト型化合物の骨格構造によって画定される一次元孔、二次元孔及び三次元孔のうちのいずれかと、前記一次元孔、前記二次元孔及び前記三次元孔のうちのいずれとも異なる拡径部を有し、前記通路の平均内径は、0.1〜1.5nmであり、前記拡径部の内径は、0.5〜50nmであることを特徴とする、上記[1]〜[11]のいずれか1項に記載のNOx分解触媒構造体。
[13]前記担体の外表面に保持された他のNOx分解触媒物質を更に備えることを特徴とする、上記[1]〜[12]のいずれか1項に記載のNOx分解触媒構造体。
[14]前記担体に内在する前記NOx分解触媒物質の含有量が、前記担体の外表面に保持された前記他のNOx分解触媒物質の含有量よりも多いことを特徴とする、上記[13]に記載のNOx分解触媒構造体。
[15]前記ゼオライト型化合物は、ケイ酸塩化合物であることを特徴とする、上記[1]〜[14]のいずれか1項に記載のNOx分解触媒構造体。
[16]上記[1]〜[15]のいずれか1項に記載のNOx分解触媒構造体を有することを特徴とする、NOx処理装置。
[17]ハニカム状基材と、前記ハニカム状基材の表面上に設けられた[1]〜[15]のいずれか1項に記載の自動車用還元触媒構造体と、を有することを特徴とする、触媒成形体。
[18]ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の担体を得るための前駆体材料(A)に、金属含有溶液が含浸された前駆体材料(B)を焼成する焼成工程と、
前記前駆体材料(B)を焼成して得られた前駆体材料(C)を水熱処理する水熱処理工程と、
を有することを特徴とするNOx分解触媒構造体の製造方法。
[19]前記焼成工程の前に、非イオン性界面活性剤を、前記前駆体材料(A)に対して50〜500質量%添加することを特徴とする、上記[18]に記載のNOx分解触媒構造体の製造方法。
[20]前記焼成工程の前に、前記前駆体材料(A)に前記金属含有溶液を複数回に分けて添加することで、前記前駆体材料(A)に前記金属含有溶液を含浸させることを特徴とする、上記[18]又は[19]記載のNOx分解触媒構造体の製造方法。
[21]前記焼成工程の前に前記前駆体材料(A)に前記金属含有溶液を含浸させる際に、前記前駆体材料(A)に添加する前記金属含有溶液の添加量を、前記前駆体材料(A)に添加する前記金属含有溶液中に含まれる金属元素(M)に対する、前記前駆体材料(A)を構成するケイ素(Si)の比(原子数比Si/M)に換算して、10〜1000となるように調整することを特徴とする、上記[18]〜[20]のいずれか1項に記載のNOx分解触媒構造体の製造方法。
[22]前記水熱処理工程において、前記前駆体材料(C)と構造規定剤とを混合することを特徴とする、上記[18]に記載のNOx分解触媒構造体の製造方法。
[23]前記水熱処理工程が塩基性雰囲気下で行われることを特徴とする、上記[18]に記載のNOx分解触媒構造体の製造方法。
That is, the gist configuration of the present invention is as follows.
[1] A support having a porous structure composed of a zeolite-type compound and at least one NOx decomposition catalyst material made of a metal oxide containing a perovskite oxide, which is present in the support, A NOx decomposition catalyst structure comprising passages communicating with each other, wherein the NOx decomposition catalyst material is present in at least the passage of the carrier.
[2] The NOx decomposition catalyst structure according to [1], wherein the NOx decomposition catalyst material is metal oxide fine particles.
[3] The passage includes any one of a one-dimensional hole, a two-dimensional hole, and a three-dimensional hole defined by a skeleton structure of the zeolite-type compound, and the one-dimensional hole, the two-dimensional hole, and the three-dimensional hole. The NOx decomposition catalyst structure according to the above [2], having an enlarged diameter portion different from any of the above, and wherein the metal oxide fine particles are present at least in the enlarged diameter portion.
[4] The above-mentioned [3], wherein the enlarged-diameter portion communicates a plurality of holes constituting any one of the one-dimensional hole, the two-dimensional hole, and the three-dimensional hole. The NOx decomposition catalyst structure described in 1.
[5] The above-mentioned [3] or [4], wherein the average particle diameter of the metal oxide fine particles is larger than the average inner diameter of the passage and not more than the inner diameter of the expanded portion. NOx decomposition catalyst structure.
[6] The metal element (M) of the metal oxide fine particles is contained in an amount of 0.5 to 2.5% by mass with respect to the automobile reduction catalyst structure, [2] The NOx decomposition catalyst structure according to any one of to [5].
[7] The NOx decomposition catalyst structure according to any one of [2] to [6], wherein the metal oxide fine particles have an average particle diameter of 0.1 to 50 nm.
[8] The NOx decomposition catalyst structure according to the above [7], wherein the metal oxide fine particles have an average particle size of 0.5 nm to 14.0 nm.
[9] The ratio of the average particle diameter of the metal oxide fine particles to the average inner diameter of the passage is 0.06 to 500, according to any one of the above [2] to [8]. NOx decomposition catalyst structure.
[10] The NOx decomposition catalyst structure according to [9] above, wherein the ratio of the average particle diameter of the metal oxide fine particles to the average inner diameter of the passage is 0.1 to 45.
[11] The NOx decomposition catalyst structure according to [10] above, wherein the ratio of the average particle diameter of the metal oxide fine particles to the average inner diameter of the passage is 1.7 to 4.5.
[12] The passage includes any one of a one-dimensional hole, a two-dimensional hole, and a three-dimensional hole defined by a skeleton structure of the zeolite-type compound, and the one-dimensional hole, the two-dimensional hole, and the three-dimensional hole. Having an enlarged diameter part different from any of them, the average inner diameter of the passage is 0.1 to 1.5 nm, the inner diameter of the enlarged diameter part is 0.5 to 50 nm, The NOx decomposition catalyst structure according to any one of the above [1] to [11].
[13] The NOx decomposition catalyst structure according to any one of [1] to [12], further comprising another NOx decomposition catalyst substance held on the outer surface of the carrier.
[14] The above-mentioned [13], wherein the content of the NOx decomposition catalyst substance present in the carrier is larger than the content of the other NOx decomposition catalyst substance held on the outer surface of the carrier. The NOx decomposition catalyst structure described in 1.
[15] The NOx decomposition catalyst structure according to any one of [1] to [14] above, wherein the zeolite-type compound is a silicate compound.
[16] A NOx treatment apparatus comprising the NOx decomposition catalyst structure according to any one of [1] to [15] above.
[17] A reduction catalyst structure for automobiles according to any one of [1] to [15] provided on a surface of the honeycomb-shaped substrate and the honeycomb-shaped substrate. A catalyst molded body.
[18] A firing step of firing a precursor material (B) impregnated with a metal-containing solution into a precursor material (A) for obtaining a porous structure carrier composed of a zeolite-type compound;
A hydrothermal treatment step of hydrothermally treating the precursor material (C) obtained by firing the precursor material (B);
A process for producing a NOx decomposition catalyst structure, comprising:
[19] The NOx decomposition according to the above [18], wherein a nonionic surfactant is added in an amount of 50 to 500 mass% with respect to the precursor material (A) before the firing step. A method for producing a catalyst structure.
[20] Before the firing step, the precursor material (A) is impregnated with the metal-containing solution by adding the metal-containing solution to the precursor material (A) in a plurality of times. The method for producing a NOx decomposition catalyst structure according to the above [18] or [19], which is characterized by the following.
[21] When the precursor material (A) is impregnated with the metal-containing solution before the firing step, the amount of the metal-containing solution added to the precursor material (A) is changed to the precursor material. In terms of the ratio of silicon (Si) constituting the precursor material (A) to the metal element (M) contained in the metal-containing solution added to (A) (atomic ratio Si / M), It adjusts so that it may become 10-1000, The manufacturing method of the NOx decomposition | disassembly catalyst structure of any one of said [18]-[20] characterized by the above-mentioned.
[22] The method for producing a NOx decomposition catalyst structure according to [18], wherein the precursor material (C) and a structure directing agent are mixed in the hydrothermal treatment step.
[23] The method for producing a NOx decomposition catalyst structure according to the above [18], wherein the hydrothermal treatment step is performed in a basic atmosphere.
本発明によれば、ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の担体と、前記担体に内在する、ペロブスカイト型酸化物を含有する金属酸化物からなる少なくとも1つのNOx分解触媒物質とを備え、前記担体が、互いに連通する通路を有し、前記NOx分解触媒物質が、前記担体の少なくとも前記通路に存在していることによって、NOx分解触媒物質同士の凝集を抑制し、NOx分解触媒物質の機能低下を防止して長期にわたって安定した機能を発揮することができるNOx分解触媒構造体およびその製造方法、ならびに、NOx処理装置及び触媒成形体を提供することができる。 According to the present invention, comprising: a porous support composed of a zeolite-type compound; and at least one NOx decomposition catalyst material comprising a metal oxide containing a perovskite oxide, which is present in the support, The carrier has passages communicating with each other, and the NOx decomposition catalyst material is present in at least the passage of the carrier, thereby suppressing aggregation of the NOx decomposition catalyst materials and reducing the function of the NOx decomposition catalyst material. It is possible to provide a NOx decomposition catalyst structure and a method for producing the same, a NOx treatment apparatus and a catalyst molded body capable of preventing the occurrence of a stable function over a long period of time.
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[NOx分解触媒構造体の構成]
図1は、本発明の実施形態に係るNOx分解触媒構造体の構成を概略的に示す図であり、(a)は斜視図(一部を横断面で示す。)、(b)は部分拡大断面図である。なお、図1におけるNOx分解触媒構造体は、その一例を示すものであり、本発明に係る各構成の形状、寸法等は、図1のものに限られないものとする。
[Configuration of NOx decomposition catalyst structure]
FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a NOx decomposition catalyst structure according to an embodiment of the present invention, in which (a) is a perspective view (a part is shown in cross section), and (b) is a partially enlarged view. It is sectional drawing. Note that the NOx decomposition catalyst structure in FIG. 1 shows an example thereof, and the shape, dimensions, etc. of each component according to the present invention are not limited to those in FIG.
図1(a)に示すように、NOx分解触媒構造体1は、ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の担体10と、該担体10に内在する、ペロブスカイト型酸化物を含有する金属酸化物からなるNOx分解触媒物質20とを備えている。NOx分解触媒物質20は、金属酸化物微粒子であることが好ましい。金属酸化物微粒子20は、単独又は担体10と協働することによって一又は複数の機能を有する物質であり、上記機能には、例えばNOx分解触媒機能に加えて、発光(或いは蛍光)機能、吸光機能、識別機能等をさらに有していてもよい。
As shown in FIG. 1 (a), a NOx
NOx分解触媒構造体1は、少なくとも1つの金属酸化物微粒子20、図1(b)では複数の金属酸化物微粒子20,20,・・・が、担体10の多孔質構造の内部に存在している。金属酸化物微粒子20は、好ましくは1種又は複数種のペロブスカイト型酸化物を含有する金属酸化物微粒子である。ペロブスカイト型酸化物についての詳細は後述する。
In the NOx
担体10は、多孔質構造であり、図1(b)に示すように、好適には複数の孔11a,11a,・・・が形成されることにより、互いに連通する通路11を有する。ここで金属酸化物微粒子20は、担体10の少なくとも通路11に存在しており、好ましくは担体10の少なくとも通路11に保持されている。
The
このような構成により、担体10内での金属酸化物微粒子20の移動が規制され、金属酸化物微粒子20、20同士の凝集が有効に防止されている。その結果、金属酸化物微粒子20としての有効表面積の減少を効果的に抑制することができ、金属酸化物微粒子20の機能は長期にわたって持続する。すなわち、NOx分解触媒構造体1によれば、金属酸化物微粒子20の凝集による機能の低下を抑制でき、NOx分解触媒構造体1としての長寿命化を図ることができる。また、NOx分解触媒構造体1の長寿命化により、NOx分解触媒構造体1の交換頻度を低減でき、使用済みのNOx分解触媒構造体1の廃棄量を大幅に低減することができ、省資源化を図ることができる。
With such a configuration, the movement of the metal oxide
通常、NOx分解触媒構造体を、流体(例えば、窒素酸化物(NOx)などを含んだ排気ガス)の中で用いる場合、流体から外力を受ける可能性がある。この場合、金属酸化物微粒子20が、担体10の外表面に付着状態で保持されているだけであると、流体からの外力の影響で担体10の外表面から離脱しやすいという問題がある。これに対し、NOx分解触媒構造体1では、金属酸化物微粒子20は担体10の少なくとも通路11に存在し、好ましくは保持されているため、流体による外力の影響を受けたとしても、担体10から金属酸化物微粒子20が離脱しにくい。すなわち、NOx分解触媒構造体1が流体内にある場合、流体は担体10の孔11aから、通路11内に流入するため、通路11内を流れる流体の速さは、流路抵抗(摩擦力)により、担体10の外表面を流れる流体の速さに比べて、遅くなると考えられる。このような流路抵抗の影響により、通路11内に存在する金属酸化物微粒子20が流体から受ける圧力は、担体10の外部において金属酸化物微粒子が流体から受ける圧力に比べて低くなる。そのため、担体11に内在する金属酸化物微粒子20が離脱することを効果的に抑制でき、金属酸化物微粒子20の機能を長期的に安定して維持することが可能となる。なお、上記のような流路抵抗は、担体10の通路11が、湾曲部や分岐部を複数有し、担体10の内部がより複雑で三次元的な立体構造となっているほど、大きくなると考えられる。
Usually, when the NOx decomposition catalyst structure is used in a fluid (for example, exhaust gas containing nitrogen oxide (NOx) or the like), there is a possibility that an external force is received from the fluid. In this case, if the metal oxide
また、通路11は、ゼオライト型化合物の骨格構造によって画定される一次元孔、二次元孔及び三次元孔のうちのいずれかと、上記一次元孔、上記二次元孔及び上記三次元孔のうちのいずれとも異なる拡径部12と、を有していることが好ましく、このとき、金属酸化物微粒子20は、少なくとも拡径部12に存在していることが好ましく、少なくとも拡径部12に包接されていることがより好ましい。ここでいう一次元孔とは、一次元チャンネルを形成しているトンネル型またはケージ型の孔、もしくは複数の一次元チャンネルを形成しているトンネル型またはケージ型の複数の孔(複数の一次元チャンネル)を指す。また、二次元孔とは、複数の一次元チャンネルが二次元的に連結された二次元チャンネルを指し、三次元孔とは、複数の一次元チャンネルが三次元的に連結された三次元チャンネルを指す。
Further, the
これにより、金属酸化物微粒子20の担体10内での移動がさらに規制され、金属酸化物微粒子20の離脱や、金属酸化物微粒子20、20同士の凝集をさらに有効に防止することができる。なお、ここでいう「包接」とは、NOx分解触媒物質(好適には金属酸化物微粒子)20が担体10に内包されている状態を指す。このときNOx分解触媒物質20と担体10とは、必ずしも直接的に互いが接触している必要はなく、NOx分解触媒物質20と担体10との間に他の物質(例えば、界面活性剤等)が介在した状態で、NOx分解触媒物質20が担体10に間接的に保持されていてもよい。
Thereby, the movement of the metal oxide
図1(b)では金属酸化物微粒子20が拡径部12に包接されている場合を示しているが、この構成だけには限定されず、金属酸化物微粒子20は、その一部が拡径部12の外側にはみ出した状態で通路11に保持されていてもよい。また、金属酸化物微粒子20は、拡径部12以外の通路11の部分(例えば通路11の内壁部分)に部分的に埋設され、または固着等によって保持されていてもよい。
FIG. 1B shows a case where the metal oxide
また、拡径部12は、上記一次元孔、上記二次元孔及び上記三次元孔のうちのいずれかを構成する複数の孔11a,11a同士を連通しているのが好ましい。これにより、骨格体10の内部に、一次元孔、二次元孔又は三次元孔とは異なる別途の通路が設けられるので、金属酸化物微粒子20の機能をより発揮させることができる。
Moreover, it is preferable that the
また、通路11は、担体10の内部に、分岐部または合流部を含んで三次元的に形成されており、拡径部12は、通路11の上記分岐部または合流部に設けられるのが好ましい。
The
担体10に形成された通路11の平均内径DFは、上記一次元孔、二次元孔及び三次元孔のうちのいずれかを構成する孔11aの短径及び長径の平均値から算出され、例えば0.1〜1.5nmであり、好ましくは0.5〜0.8nmである。
また、拡径部12の内径DEは、例えば0.5〜50nmであり、好ましくは1.1〜40nm、より好ましくは1.1〜3.3nmである。拡径部12の内径DEは、例えば後述する前駆体材料(A)の細孔径、及び包接される金属酸化物微粒子20の平均粒径DCに依存する。拡径部12の内径DEは、金属酸化物微粒子20を包接し得る大きさである。
The average inner diameter DF of the
Moreover, the internal diameter DE of the
担体10は、ゼオライト型化合物で構成される。ゼオライト型化合物としては、例えば、ゼオライト(アルミノケイ酸塩)、陽イオン交換ゼオライト、シリカライト等のケイ酸塩化合物、アルミノホウ酸塩、アルミノヒ酸塩、ゲルマニウム酸塩等のゼオライト類縁化合物、リン酸モリブデン等のリン酸塩系ゼオライト類似物質などが挙げられる。中でも、ゼオライト型化合物はケイ酸塩化合物であることが好ましい。
The
ゼオライト型化合物の骨格構造は、FAU型(Y型またはX型)、MTW型、MFI型(ZSM−5)、FER型(フェリエライト)、LTA型(A型)、MWW型(MCM−22)、MOR型(モルデナイト)、LTL型(L型)、BEA型(ベータ型)などの中から選択され、好ましくはMFI型であり、より好ましくはZSM−5である。ゼオライト型化合物には、各骨格構造に応じた孔径を有する孔が複数形成されており、例えばMFI型の最大孔径は0.636nm(6.36Å)、平均孔径0.560nm(5.60Å)である。 The framework structure of zeolite type compounds is FAU type (Y type or X type), MTW type, MFI type (ZSM-5), FER type (ferrierite), LTA type (A type), MWW type (MCM-22) , MOR type (mordenite), LTL type (L type), BEA type (beta type), etc., preferably MFI type, more preferably ZSM-5. In the zeolite type compound, a plurality of pores having a pore size corresponding to each skeleton structure are formed. For example, the maximum pore size of the MFI type is 0.636 nm (6.36 mm), and the average pore size is 0.560 nm (5.60 mm). is there.
金属酸化物微粒子20は、一次粒子である場合と、一次粒子が凝集して形成した二次粒子である場合とがあるが、金属酸化物微粒子20の平均粒径DCは、好ましくは通路11の平均内径DFよりも大きく、且つ拡径部12の内径DE以下である(DF<DC≦DE)。このような金属酸化物微粒子20は、通路11内では、好適には拡径部12に包接されており、担体10内での金属酸化物微粒子20の移動が規制される。よって、金属酸化物微粒子20が流体から外力を受けた場合であっても、担体10内での金属酸化物微粒子20の移動が抑制され、担体10の通路11に分散配置された拡径部12、12、・・のそれぞれに包接された金属酸化物微粒子20、20、・・同士が接触して凝集するのを有効に防止することができる。
金属酸化物微粒子20の平均粒径DCは、一次粒子および二次粒子のいずれの場合も、好ましくは0.1〜50nmであり、より好ましくは0.1nm以上30nm未満であり、さらに好ましくは0.5nm〜14.0nmであり、特に好ましくは1.0〜3.3nmである。また、通路11の平均内径DFに対する金属酸化物微粒子20の平均粒径DCの割合(DC/DF)は、好ましくは0.06〜500であり、より好ましくは0.1〜45であり、更に好ましくは1.1〜45であり、特に好ましくは1.7〜4.5である。
The average particle diameter D C of the
また、金属酸化物微粒子の金属元素(M)は、NOx分解触媒構造体1に対して0.5〜2.5質量%で含有されているのが好ましく、NOx分解触媒構造体1に対して0.5〜1.5質量%で含有されているのがより好ましい。なお、ここでいう「金属元素(M)」は、後述するように複数種類の金属を含むペロブスカイト型酸化物においては、当該酸化物に含まれる金属の全てを指し、含有量はそれらの合計量を指す。例えば、金属元素(M)がLaとMnである場合、金属元素の含有量(質量%)は、{(La元素の質量+Mn元素の質量)/(NOx分解触媒構造体1の全元素の質量)}×100で表される。
Further, the metal element (M) of the metal oxide fine particles is preferably contained at 0.5 to 2.5 mass% with respect to the NOx
ペロブスカイト型酸化物は、希土類アルカリ土類などのイオン半径の大きな(>0.90Å)金属イオン(Aイオン)と、イオン半径の小さな(>0.51Å)金属イオン(Bイオン)とからなるABO3型化合物であり、触媒として重要なペロブスカイトは、希土類元素(Aサイト)と遷移金属(Bサイト)との組み合わせを基礎とした化合物であり、その触媒特性はBサイト遷移金属の性質に主に依存する。 Perovskite oxide is an ABO made of a metal ion (A ion) having a large ionic radius (> 0.90 >) and a metal ion (B ion) having a small ionic radius (> 0.51Å), such as rare earth alkaline earths. Perovskite, which is a type 3 compound and important as a catalyst, is a compound based on a combination of a rare earth element (A site) and a transition metal (B site), and its catalytic properties mainly depend on the properties of the B site transition metal. Dependent.
内包させるペロブスカイト触媒種としては、ペロブスカイトの一般式 ABO3(A: 希土類元素およびアルカリ土類金属から選ばれる少なくとも1種の元素、B: 遷移金属から選ばれる少なくとも1種)を満たし、かつ触媒活性を持つ化合物であれば特に限定はしないが、具体的にはLaBO3(B=Mn、Cr、Co、Fe、Al、Pd、Mg)、BaZrO3、La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3(LSGM)、LaFe0.57Co0.38Pd0.05O3、Ba0.8La0.2Mn0.2O3等が挙げられる。 The perovskite catalyst species to be included satisfies the general formula ABO 3 of perovskite (A: at least one element selected from rare earth elements and alkaline earth metals, B: at least one element selected from transition metals) and catalytic activity. it is not particularly limited as long as it is a compound having, specifically LaBO 3 (B = Mn, Cr , Co, Fe, Al, Pd, Mg), BaZrO 3, La 0.8 Sr 0.2 Ga 0. 8 Mg 0.2 O 3 (LSGM), LaFe 0.57 Co 0.38 Pd 0.05 O 3 , Ba 0.8 La 0.2 Mn 0.2 O 3 and the like.
また、金属酸化物微粒子20は、ペロブスカイト型酸化物を含有していればよく、例えば、単一のペロブスカイト型酸化物で構成されていてもよく、あるいは、2種以上のペロブスカイト型酸化物からなる複合酸化物や、ペロブスカイト型酸化物と他の酸化物からなる複合酸化物で構成されていてもよい。金属酸化物微粒子20を構成する金属Mに対する、担体10を構成するSiの割合(Si/M、原子数比)は、10〜1000であるのが好ましい。上記存在割合が1000より大きいと、活性が低く、十分な触媒作用が得られない可能性があり、一方、上記存在割合が10よりも小さいと、ペロブスカイト触媒の存在割合が大きくなりすぎて、担体の強度が低下する傾向がある。尚、ここでいう金属酸化物微粒子20は、担体10の内部に保持或いは担持された微粒子をいい、担体10の外表面に付着した微粒子を含まない。
Further, the metal oxide
他の酸化物としては、例えば、酸化コバルト(CoOx)、酸化ニッケル(NiOx)、酸化鉄(FeOx)、酸化銅(CuOx)、酸化ジルコニウム(ZrOx)、酸化セリウム(CeOx)、酸化アルミニウム(AlOx)、酸化ニオブ(NbOx)、酸化チタン(TiOx)、酸化ビスマス(BiOx)、酸化モリブデン(MoOx)、酸化バナジウム(VOx)、酸化クロム(CrOx)のいずれか1種または2種以上を主成分とする複合金属酸化物が挙げられる。 Examples of other oxides include cobalt oxide (CoOx), nickel oxide (NiOx), iron oxide (FeOx), copper oxide (CuOx), zirconium oxide (ZrOx), cerium oxide (CeOx), and aluminum oxide (AlOx). , Niobium oxide (NbOx), titanium oxide (TiOx), bismuth oxide (BiOx), molybdenum oxide (MoOx), vanadium oxide (VOx), or chromium oxide (CrOx) as a main component. A composite metal oxide is mentioned.
[NOx分解触媒構造体の機能]
NOx分解触媒構造体1は、例えば発電所や自動車等から発生する窒素酸化物(NOx)等の有害物質中に含まれる所定分子を透過する分子篩能を有する。具体的には、図2(a)に示すように、担体10の外表面10aに形成された孔11aの内径以下の大きさを有する窒素酸化物(NOx)が、担体10内に浸入することができ、孔11aの内径を超える大きさを有する他の有害物質15は、担体10内への浸入が規制される。この分子篩能により、孔11aに入ることができる窒素酸化物(NOx)を優先的に反応させることができる。
[Function of NOx decomposition catalyst structure]
The NOx
また、上記反応によって孔11a内で生じた分子のうち、孔11aから担体10の外部に出ることができる分子のみを生成物として得ることができ、孔11aから担体10の外部に出ることができない分子は、孔11aから出ることができる大きさの分子に変換された後、孔11aから担体10の外部に出る。これにより、触媒反応によって得られる生成物を所定分子に規制することができる。
In addition, among the molecules generated in the
また、NOx分解触媒構造体1では、好適には、通路11の拡径部12に金属酸化物微粒子20が存在しており、さらに好適には包接されている。よって、通路11に浸入したNOxが金属酸化物微粒子20と接触する。また、金属酸化物微粒子20の一次平均粒径DCが、通路11の平均内径DFよりも大きく、拡径部12の内径DEよりも小さい場合には(DF<DC<DE)、金属酸化物微粒子と拡径部12との間に小通路13が形成され(図中の矢印)、小通路13に浸入したNOxが、金属酸化物微粒子と接触する。このとき、金属酸化物微粒子20は、拡径部12で包接されることによって移動が制限され、通路11に浸入した分子等を含む流体との接触面積を維持することができる。
In the NOx
そして、通路11に浸入したNOxが、特にペロブスカイト酸化物を含有する金属酸化物微粒子20に接触すると、窒素酸化物(NOx)を以下に示す還元反応で分解することによって除去することができる。
2NO+2Vo+4e → 2Nad+2OL 2−
2Nad → N2
2OL 2− → O2+2Vo+4e
(OL 2−は格子酸素、Voは酸素欠陥)
When the NOx that has entered the
2NO + 2Vo + 4e → 2N ad + 2O L 2-
2N ad → N 2
2O L 2− → O 2 + 2Vo + 4e
( OL 2- is lattice oxygen, Vo is oxygen defect)
上記のNOxの分解反応は、環境浄化触媒の中で精力的に研究されており、化学平衡的にはNOxがN2とO2に分解される反応は、安定であるため、熱力学的には十分に進行可能である。しかしながら、実際には生成したO2によって触媒が失活するので反応が進行しにくい。このため、かかる反応を進行させるための作動温度は、700℃以上の高温にすることが必要である。また、高温での反応は、NOx分解触媒物質が共存する酸素にも安定で、水蒸気による失活も受けにくいという特徴がある。従来のNOx分解触媒構造体では、作動温度が700℃以上の高温にすると、NOx触媒同士が熱凝集(シンタリング)が生じて、NOx触媒の活性が低下していたが、本発明のNOx分解触媒構造体は、700℃以上の高温で使用し続けたとしても、NOx分解触媒物質同士の凝集を抑制し、NOx分解触媒物質の機能低下を防止して長期にわたって安定した機能を発揮することができる。 The above NOx decomposition reaction has been energetically studied in an environmental purification catalyst, and since the reaction in which NOx is decomposed into N 2 and O 2 is stable in terms of chemical equilibrium, it is thermodynamically Can progress sufficiently. However, since the catalyst is actually deactivated by the generated O 2 , the reaction hardly proceeds. For this reason, the operating temperature for proceeding with this reaction needs to be 700 ° C. or higher. In addition, the reaction at high temperature is characterized by being stable to oxygen coexisting with the NOx decomposition catalyst substance and not easily deactivated by water vapor. In the conventional NOx decomposition catalyst structure, when the operating temperature is higher than 700 ° C., the NOx catalysts are thermally aggregated (sintered), and the activity of the NOx catalyst is reduced. Even if the catalyst structure continues to be used at a high temperature of 700 ° C. or higher, it can suppress aggregation of NOx decomposition catalyst materials and prevent a decrease in the function of the NOx decomposition catalyst materials to exhibit a stable function over a long period of time. it can.
[NOx処理装置]
一実施形態では、NOx分解触媒構造体1を有するNOx処理装置(図示せず)が提供されてもよい。NOx処理装置は、NOx分解触媒構造体1を単独で有していてもよいし、酸化触媒構造体等の他の触媒構造体や、粒子状物質の捕集フィルタ等とを組み合わせてもよい。このような構成を有するNOx処理装置にNOx分解触媒構造体1を用いることで、上記と同様の効果を奏することができる。
[NOx treatment equipment]
In one embodiment, a NOx treatment device (not shown) having the NOx
[NOx分解触媒構造体の製造方法]
図3は、図1のNOx分解触媒構造体1の製造方法を示すフローチャートである。図3では、担体10(担体)がゼオライトであり、金属酸化物微粒子20がペロブスカイト型酸化物からなる場合を例に挙げて説明する。
[Method for producing NOx decomposition catalyst structure]
FIG. 3 is a flowchart showing a method for manufacturing the NOx
(ステップS1:準備工程)
図3に示すように、先ず、ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の担体を得るための前駆体材料(A)を準備する。前駆体材料(A)は、好ましくは規則性メソ細孔物質であり、NOx分解触媒構造体の担体を構成するゼオライト型化合物の種類(組成)に応じて適宜選択できる。
(Step S1: Preparation process)
As shown in FIG. 3, first, a precursor material (A) for obtaining a porous support composed of a zeolite-type compound is prepared. The precursor material (A) is preferably a regular mesoporous material, and can be appropriately selected according to the type (composition) of the zeolite-type compound constituting the support of the NOx decomposition catalyst structure.
ここで、NOx分解触媒構造体の担体を構成するゼオライト型化合物がケイ酸塩化合物である場合には、規則性メソ細孔物質は、細孔径1〜50nmの細孔が1次元、2次元または3次元に均一な大きさかつ規則的に発達したSi−O骨格からなる化合物であることが好ましい。このような規則性メソ細孔物質は、合成条件によって様々な合成物として得られるが、合成物の具体例としては、例えばSBA−1、SBA−15、SBA−16、KIT−6、FSM−16、MCM−41等が挙げられ、中でもMCM−41が好ましい。なお、SBA−1の細孔径は10〜30nm、SBA−15の細孔径は6〜10nm、SBA−16の細孔径は6nm、KIT−6の細孔径は9nm、FSM−16の細孔径は3〜5nm、MCM−41の細孔径は1〜10nmである。また、このような規則性メソ細孔物質としては、例えばメソポーラスシリカ、メソポーラスアルミノシリケート、メソポーラスメタロシリケート等が挙げられる。 Here, when the zeolitic compound constituting the support of the NOx decomposition catalyst structure is a silicate compound, the regular mesoporous material has pores having a pore diameter of 1 to 50 nm in one dimension, two dimensions or It is preferably a compound composed of a Si—O skeleton having a uniform size in three dimensions and regularly developed. Such regular mesoporous materials can be obtained as various composites depending on the synthesis conditions. Specific examples of the composites include, for example, SBA-1, SBA-15, SBA-16, KIT-6, FSM- 16, MCM-41, etc., among which MCM-41 is preferable. The pore diameter of SBA-1 is 10 to 30 nm, the pore diameter of SBA-15 is 6 to 10 nm, the pore diameter of SBA-16 is 6 nm, the pore diameter of KIT-6 is 9 nm, and the pore diameter of FSM-16 is 3 -5 nm, MCM-41 has a pore diameter of 1-10 nm. Examples of such regular mesoporous materials include mesoporous silica, mesoporous aluminosilicate, and mesoporous metallosilicate.
前駆体材料(A)は、市販品および合成品のいずれであってもよい。前駆体材料(A)を合成する場合には、公知の規則性メソ細孔物質の合成方法により行うことができる。例えば、前駆体材料(A)の構成元素を含有する原料と、前駆体材料(A)の構造を規定するための鋳型剤とを含む混合溶液を調製し、必要に応じてpHを調整して、水熱処理(水熱合成)を行う。その後、水熱処理により得られた沈殿物(生成物)を回収(例えば、ろ別)し、必要に応じて洗浄および乾燥し、さらに焼成することで、粉末状の規則性メソ細孔物質である前駆体材料(A)が得られる。ここで、混合溶液の溶媒としては、例えば水、またはアルコール等の有機溶媒、若しくはこれらの混合溶媒等を用いることができる。また、原料は、担体の種類に応じて選択されるが、例えばテトラエトキシシラン(TEOS)等のシリカ剤、フュームドシリカ、石英砂等が挙げられる。また、鋳型剤としては、各種界面活性剤、ブロックコポリマー等を用いることができ、規則性メソ細孔物質の合成物の種類に応じて選択することが好ましく、例えばMCM−41を作製する場合にはヘキサデシルトリメチルアンモニウムブロミド等の界面活性剤が好適である。水熱処理は、例えば、密閉容器内で、80〜800℃、5時間〜240時間、0〜2000kPaの処理条件で行うことができる。焼成処理は、例えば、空気中で、350〜850℃、2〜30時間の処理条件で行うことができる。 The precursor material (A) may be a commercially available product or a synthetic product. When the precursor material (A) is synthesized, it can be performed by a known method for synthesizing regular mesoporous materials. For example, a mixed solution containing a raw material containing the constituent elements of the precursor material (A) and a templating agent for defining the structure of the precursor material (A) is prepared, and the pH is adjusted as necessary. Hydrothermal treatment (hydrothermal synthesis) is performed. Thereafter, the precipitate (product) obtained by hydrothermal treatment is recovered (for example, filtered), washed and dried as necessary, and further calcined to form a regular mesoporous material in powder form. A precursor material (A) is obtained. Here, as a solvent of the mixed solution, for example, water, an organic solvent such as alcohol, or a mixed solvent thereof can be used. Moreover, although a raw material is selected according to the kind of support | carrier, for example, silica agents, such as tetraethoxysilane (TEOS), fumed silica, quartz sand, etc. are mentioned. Further, as the templating agent, various surfactants, block copolymers and the like can be used, and it is preferable to select according to the type of the synthesized compound of regular mesoporous materials. For example, when preparing MCM-41 A surfactant such as hexadecyltrimethylammonium bromide is preferred. The hydrothermal treatment can be performed, for example, in a sealed container at 80 to 800 ° C., 5 hours to 240 hours, and treatment conditions of 0 to 2000 kPa. The baking treatment can be performed, for example, in air at 350 to 850 ° C. for 2 to 30 hours.
(ステップ2:含浸工程)
次に、準備した前駆体材料(A)に、金属含有溶液を含浸させ、前駆体材料(B)を得る。
(Step 2: impregnation process)
Next, the prepared precursor material (A) is impregnated with the metal-containing solution to obtain the precursor material (B).
金属含有溶液は、NOx分解触媒構造体の金属酸化物微粒子を構成する金属元素(M)に対応する金属成分を含有する溶液であればよく、例えば、溶媒に、金属元素(M)を含有する金属塩を溶解させることにより調製できる。このような金属塩としては、例えば、塩化物、水酸化物、酸化物、硫酸塩、硝酸塩等の金属塩が挙げられ、中でも硝酸塩が好ましい。溶媒としては、例えば水、またはアルコール等の有機溶媒、若しくはこれらの混合溶媒等を用いることができる。 The metal-containing solution may be a solution containing a metal component corresponding to the metal element (M) constituting the metal oxide fine particles of the NOx decomposition catalyst structure. For example, the metal-containing solution contains the metal element (M) in a solvent. It can be prepared by dissolving a metal salt. Examples of such metal salts include metal salts such as chlorides, hydroxides, oxides, sulfates, nitrates, etc. Among them, nitrates are preferable. As the solvent, for example, water, an organic solvent such as alcohol, or a mixed solvent thereof can be used.
前駆体材料(A)に金属含有溶液を含浸させる方法は、特に限定されないが、例えば、後述する焼成工程の前に、粉末状の前駆体材料(A)を撹拌しながら、金属含有溶液を複数回に分けて少量ずつ添加することが好ましい。また、前駆体材料(A)の細孔内部に金属含有溶液がより浸入し易くなる観点から、前駆体材料(A)に、金属含有溶液を添加する前に予め、添加剤として界面活性剤を添加しておくことが好ましい。このような添加剤は、前駆体材料(A)の外表面を被覆する働きがあり、その後に添加される金属含有溶液が前駆体材料(A)の外表面に付着することを抑制し、金属含有溶液が前駆体材料(A)の細孔内部により浸入し易くなると考えられる。 The method for impregnating the precursor material (A) with the metal-containing solution is not particularly limited. For example, a plurality of metal-containing solutions are mixed while stirring the powdery precursor material (A) before the firing step described later. It is preferable to add in small portions in portions. Further, from the viewpoint of facilitating the penetration of the metal-containing solution into the pores of the precursor material (A), a surfactant as an additive is added in advance to the precursor material (A) before adding the metal-containing solution. It is preferable to add it. Such an additive has a function of coating the outer surface of the precursor material (A), suppresses the metal-containing solution added thereafter from adhering to the outer surface of the precursor material (A), and the metal It is considered that the contained solution is more likely to enter the pores of the precursor material (A).
このような添加剤としては、例えばポリオキシエチレンオレイルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル等の非イオン性界面活性剤が挙げられる。これらの界面活性剤は、分子サイズが大きく前駆体材料(A)の細孔内部には浸入できないため、細孔の内部に付着することは無く、金属含有溶液が細孔内部に浸入することを妨げないと考えられる。非イオン性界面活性剤の添加方法としては、例えば、後述する焼成工程の前に、非イオン性界面活性剤を、前駆体材料(A)に対して50〜500質量% 添加するのが好ましい。非イオン性界面活性剤の前駆体材料(A)に対する添加量が50質量%未満であると上記の抑制作用が発現し難く、非イオン性界面活性剤を前駆体材料(A)に対して500質量%よりも多く添加すると粘度が上がりすぎるので好ましくない。よって、非イオン性界面活性剤の前駆体材料(A)に対する添加量を上記範囲内の値とする。 Examples of such additives include nonionic surfactants such as polyoxyethylene oleyl ether, polyoxyethylene alkyl ether, and polyoxyethylene alkylphenyl ether. Since these surfactants have a large molecular size and cannot penetrate into the pores of the precursor material (A), they do not adhere to the inside of the pores, and the metal-containing solution penetrates into the pores. It is thought not to interfere. As a method for adding the nonionic surfactant, for example, it is preferable to add the nonionic surfactant in an amount of 50 to 500% by mass with respect to the precursor material (A) before the firing step described later. When the addition amount of the nonionic surfactant to the precursor material (A) is less than 50% by mass, the above-described inhibitory action is hardly exhibited, and the nonionic surfactant is added to the precursor material (A) at 500. Addition of more than% by mass is not preferable because the viscosity increases excessively. Therefore, the addition amount of the nonionic surfactant with respect to the precursor material (A) is set to a value within the above range.
また、前駆体材料(A)に添加する金属含有溶液の添加量は、前駆体材料(A)に含浸させる金属含有溶液中に含まれる金属元素(M)の量(すなわち、前駆体材料(B)に内在させる金属元素(M)の量)を考慮して、適宜調整することが好ましい。例えば、後述する焼成工程の前に、前駆体材料(A)に添加する金属含有溶液の添加量を、前駆体材料(A)に添加する金属含有溶液中に含まれる金属元素(M)に対する、前駆体材料(A)を構成するケイ素(Si)の比(原子数比Si/M)に換算して、10〜1000となるように調整することが好ましく、50〜200となるように調整することがより好ましい。例えば、前駆体材料(A)に金属含有溶液を添加する前に、添加剤として界面活性剤を前駆体材料(A)に添加した場合、前駆体材料(A)に添加する金属含有溶液の添加量を、原子数比Si/Mに換算して50〜200とすることで、金属酸化物微粒子の金属元素(M)を、NOx分解触媒構造体に対して0.5〜2.5質量%で含有させることができる。前駆体材料(B)の状態で、その細孔内部に存在する金属元素(M)の量は、金属含有溶液の金属濃度や、上記添加剤の有無、その他温度や圧力等の諸条件が同じであれば、前駆体材料(A)に添加する金属含有溶液の添加量に概ね比例する。また、前駆体材料(B)に内在する金属元素(M)の量は、NOx分解触媒構造体の担体に内在する金属酸化物微粒子を構成する金属元素の量と比例関係にある。したがって、前駆体材料(A)に添加する金属含有溶液の添加量を上記範囲に制御することにより、前駆体材料(A)の細孔内部に金属含有溶液を十分に含浸させることができ、ひいては、NOx分解触媒構造体の担体に内在させる金属酸化物微粒子の量を調整することができる。 The amount of the metal-containing solution added to the precursor material (A) is the amount of the metal element (M) contained in the metal-containing solution impregnated in the precursor material (A) (that is, the precursor material (B It is preferable to adjust appropriately in consideration of the amount of the metal element (M) contained in (). For example, before the firing step described later, the addition amount of the metal-containing solution added to the precursor material (A) is the metal element (M) contained in the metal-containing solution added to the precursor material (A), In terms of the ratio of silicon (Si) constituting the precursor material (A) (atomic number ratio Si / M), it is preferably adjusted to be 10 to 1000, and adjusted to be 50 to 200. It is more preferable. For example, when a surfactant is added as an additive to the precursor material (A) before the metal-containing solution is added to the precursor material (A), the addition of the metal-containing solution to be added to the precursor material (A) By converting the amount to 50 to 200 in terms of the atomic ratio Si / M, the metal element (M) of the metal oxide fine particles is 0.5 to 2.5 mass% with respect to the NOx decomposition catalyst structure. It can be made to contain. In the state of the precursor material (B), the amount of the metal element (M) present in the pores is the same as the metal concentration of the metal-containing solution, the presence or absence of the additive, and other conditions such as temperature and pressure. If so, it is roughly proportional to the amount of the metal-containing solution added to the precursor material (A). The amount of the metal element (M) inherent in the precursor material (B) is proportional to the amount of the metal element constituting the metal oxide fine particles inherent in the support of the NOx decomposition catalyst structure. Therefore, by controlling the amount of the metal-containing solution added to the precursor material (A) within the above range, the metal-containing solution can be sufficiently impregnated inside the pores of the precursor material (A), and thus The amount of metal oxide fine particles contained in the support of the NOx decomposition catalyst structure can be adjusted.
前駆体材料(A)に金属含有溶液を含浸させた後は、必要に応じて、洗浄処理を行ってもよい。洗浄溶液として、水、またはアルコール等の有機溶媒、若しくはこれらの混合溶液を用いることができる。また、前駆体材料(A)に金属含有溶液を含浸させ、必要に応じて洗浄処理を行った後、さらに乾燥処理を施すことが好ましい。乾燥処理としては、一晩程度の自然乾燥や、150℃以下の高温乾燥が挙げられる。なお、金属含有溶液に含まれる水分や、洗浄溶液の水分が、前駆体材料(A)に多く残った状態で、後述の焼成処理を行うと、前駆体材料(A)の規則性メソ細孔物質としての骨格構造が壊れる恐れがあるので、十分に乾燥するのが好ましい。 After impregnating the precursor material (A) with the metal-containing solution, a cleaning treatment may be performed as necessary. As the cleaning solution, water, an organic solvent such as alcohol, or a mixed solution thereof can be used. In addition, it is preferable to impregnate the precursor material (A) with a metal-containing solution and perform a cleaning treatment as necessary, followed by a drying treatment. Examples of the drying treatment include natural drying overnight or high temperature drying at 150 ° C. or lower. In addition, the regular mesopores of the precursor material (A) are obtained by performing the baking treatment described later in a state where a large amount of moisture contained in the metal-containing solution and the moisture of the cleaning solution remain in the precursor material (A). Since the skeletal structure as a substance may be broken, it is preferable to dry it sufficiently.
(ステップS3:焼成工程)
次に、ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の担体を得るための前駆体材料(A)に金属含有溶液が含浸された前駆体材料(B)を焼成して、前駆体材料(C)を得る。
(Step S3: Firing step)
Next, the precursor material (B) obtained by impregnating the precursor material (A) for impregnating the porous material structure composed of the zeolite type compound with the metal-containing solution is calcined to obtain the precursor material (C). Get.
焼成処理は、例えば、空気中で、350〜850℃、2〜30時間の処理条件で行うことが好ましい。このような焼成処理により、規則性メソ細孔物質の孔内に含浸された金属成分が結晶成長して、孔内で金属酸化物微粒子が形成される。 The firing treatment is preferably performed, for example, in the air at 350 to 850 ° C. for 2 to 30 hours. By such a baking treatment, the metal component impregnated in the pores of the regular mesoporous material grows in crystal, and metal oxide fine particles are formed in the pores.
(ステップS4:水熱処理工程)
次いで、前駆体材料(C)と構造規定剤とを混合した混合溶液を調製し、前記前駆体材料(B)を焼成して得られた前駆体材料(C)を水熱処理して、NOx分解触媒構造体を得る。
(Step S4: Hydrothermal treatment process)
Next, a mixed solution in which the precursor material (C) and the structure directing agent are mixed is prepared, and the precursor material (C) obtained by firing the precursor material (B) is hydrothermally treated to decompose NOx. A catalyst structure is obtained.
構造規定剤は、NOx分解触媒構造体の担体の骨格構造を規定するための鋳型剤であり、例えば界面活性剤を用いることができる。構造規定剤は、NOx分解触媒構造体の担体の骨格構造に応じて選択することが好ましく、例えばテトラメチルアンモニウムブロミド(TMABr)、テトラエチルアンモニウムブロミド(TEABr)、テトラプロピルアンモニウムブロミド(TPABr)等の界面活性剤が好適である。 The structure directing agent is a templating agent for defining the skeleton structure of the support of the NOx decomposition catalyst structure, and for example, a surfactant can be used. The structure directing agent is preferably selected according to the skeleton structure of the support of the NOx decomposition catalyst structure, for example, an interface such as tetramethylammonium bromide (TMABr), tetraethylammonium bromide (TEABr), tetrapropylammonium bromide (TPABr), etc. An activator is preferred.
前駆体材料(C)と構造規定剤との混合は、本水熱処理工程時に行ってもよいし、水熱処理工程の前に行ってもよい。また、上記混合溶液の調製方法は、特に限定されず、前駆体材料(C)と、構造規定剤と、溶媒とを同時に混合してもよいし、溶媒に前駆体材料(C)と構造規定剤とをそれぞれ個々の溶液に分散させた状態にした後に、それぞれの分散溶液を混合してもよい。溶媒としては、例えば水、またはアルコール等の有機溶媒、若しくはこれらの混合溶媒等を用いることができる。また、混合溶液は、水熱処理を行う前に、酸または塩基を用いてpHを調整しておくことが好ましい。 Mixing of the precursor material (C) and the structure directing agent may be performed during the main hydrothermal treatment step, or may be performed before the hydrothermal treatment step. Moreover, the preparation method of the said mixed solution is not specifically limited, A precursor material (C), a structure directing agent, and a solvent may be mixed simultaneously, or precursor material (C) and structure prescription | regulation are carried out to a solvent. After each agent is dispersed in each solution, each dispersion solution may be mixed. As the solvent, for example, water, an organic solvent such as alcohol, or a mixed solvent thereof can be used. In addition, the pH of the mixed solution is preferably adjusted using an acid or a base before hydrothermal treatment.
水熱処理は、公知の方法で行うことができ、例えば、密閉容器内で、80〜800℃、5時間〜240時間、0〜2000kPaの処理条件で行うことが好ましい。また、水熱処理は、塩基性雰囲気下で行われることが好ましい。
ここでの反応メカニズムは必ずしも明らかではないが、前駆体材料(C)を原料として水熱処理を行うことにより、前駆体材料(C)の規則性メソ細孔物質としての骨格構造は次第に崩れるが、前駆体材料(C)の細孔内部での金属酸化物微粒子の位置は概ね維持されたまま、構造規定剤の作用により、NOx分解触媒構造体の担体としての新たな骨格構造(多孔質構造)が形成される。このようにして得られたNOx分解触媒構造体は、多孔質構造の担体と、担体に内在する金属酸化物微粒子を備え、さらに担体はその多孔質構造により複数の孔が互いに連通した通路を有し、金属酸化物微粒子はその少なくとも一部分が担体の通路に保持されている。
Hydrothermal treatment can be performed by a well-known method, for example, it is preferable to perform in 80-800 degreeC, 5 hours-240 hours, and processing conditions of 0-2000 kPa in an airtight container. The hydrothermal treatment is preferably performed in a basic atmosphere.
Although the reaction mechanism here is not necessarily clear, by performing hydrothermal treatment using the precursor material (C) as a raw material, the skeleton structure of the precursor material (C) as a regular mesoporous material gradually collapses. A new skeletal structure (porous structure) as a support for the NOx decomposition catalyst structure by the action of the structure-directing agent while maintaining the position of the metal oxide fine particles inside the pores of the precursor material (C) in general. Is formed. The NOx decomposition catalyst structure thus obtained comprises a porous support and metal oxide fine particles present in the support, and the support has a passage in which a plurality of pores communicate with each other due to the porous structure. At least a part of the metal oxide fine particles is held in the passage of the carrier.
また、本実施形態では、上記水熱処理工程において、前駆体材料(C)と構造規定剤とを混合した混合溶液を調製して、前駆体材料(C)を水熱処理しているが、これに限らず、前駆体材料(C)と構造規定剤とを混合すること無く、前駆体材料(C)を水熱処理してもよい。 In this embodiment, in the hydrothermal treatment step, a mixed solution in which the precursor material (C) and the structure directing agent are mixed is prepared, and the precursor material (C) is hydrothermally treated. Not limited to this, the precursor material (C) may be hydrothermally treated without mixing the precursor material (C) and the structure directing agent.
水熱処理後に得られる沈殿物(NOx分解触媒構造体)は、回収(例えば、ろ別)後、必要に応じて洗浄、乾燥および焼成することが好ましい。洗浄溶液としては、水、またはアルコール等の有機溶媒、若しくはこれらの混合溶液を用いることができる。乾燥処理としては、一晩程度の自然乾燥や、150℃以下の高温乾燥が挙げられる。なお、沈殿物に水分が多く残った状態で、焼成処理を行うと、NOx分解触媒構造体の担体としての骨格構造が壊れる恐れがあるので、十分に乾燥するのが好ましい。また、焼成処理は、例えば、空気中で、350〜850℃、2〜30時間の処理条件で行うことができる。このような焼成処理により、NOx分解触媒構造体に付着していた構造規定剤が焼失する。また、NOx分解触媒構造体は、使用目的に応じて、回収後の沈殿物を焼成処理することなくそのまま用いることもできる。例えば、NOx分解触媒構造体の使用する環境が、酸化性雰囲気の高温環境である場合には、使用環境に一定時間晒すことで、構造規定剤は焼失し、焼成処理した場合と同様のNOx分解触媒構造体が得られるので、そのまま使用することが可能となる。 The precipitate (NOx decomposition catalyst structure) obtained after the hydrothermal treatment is preferably washed, dried and calcined as necessary after collection (for example, filtration). As the cleaning solution, water, an organic solvent such as alcohol, or a mixed solution thereof can be used. Examples of the drying treatment include natural drying overnight or high temperature drying at 150 ° C. or lower. In addition, if the calcination treatment is performed in a state in which a large amount of moisture remains in the precipitate, the skeleton structure as the carrier of the NOx decomposition catalyst structure may be broken, and thus it is preferable to dry it sufficiently. Moreover, a baking process can be performed on the process conditions of 350-850 degreeC and 2 to 30 hours, for example in the air. By such a calcination treatment, the structure directing agent attached to the NOx decomposition catalyst structure is burned out. In addition, the NOx decomposition catalyst structure can be used as it is without subjecting the recovered precipitate to a firing treatment depending on the purpose of use. For example, when the environment in which the NOx decomposition catalyst structure is used is a high temperature environment in an oxidizing atmosphere, the structure directing agent is burned away by exposure to the environment for a certain period of time, and the NOx decomposition is the same as in the case of firing treatment. Since a catalyst structure is obtained, it can be used as it is.
[NOx分解触媒構造体1の変形例]
図4は、図1のNOx分解触媒構造体1の変形例を示す模式図である。
図1のNOx分解触媒構造体1は、担体10と、担体10に内在する、金属酸化物微粒子20とを備える場合を示しているが、この構成だけには限定されず、例えば、図4に示すように、NOx分解触媒構造体2が、担体10の外表面10aに保持された少なくとも1つの他の金属酸化物微粒子30を更に備えていてもよい。
[Modification of NOx Decomposition Catalyst Structure 1]
FIG. 4 is a schematic diagram showing a modification of the NOx
The NOx
他の金属酸化物微粒子30は、一又は複数の機能を発揮する物質である。他の金属酸化物微粒子30が有する機能は、金属酸化物微粒子20が有する機能と同一であってもよいし、異なっていてもよい。他の金属酸化物微粒子30が有する機能の具体例は、金属酸化物微粒子20について説明したものと同様であり、中でも触媒機能を有することが好ましく、このとき金属酸化物微粒子30は触媒物質である。また、金属酸化物微粒子20,30の双方が同一の機能を有する物質である場合、他の金属酸化物微粒子30の材料は、金属酸化物微粒子20の材料と同一であってもよいし、異なっていてもよい。本構成によれば、NOx分解触媒構造体2に保持された金属酸化物微粒子の含有量を増大することができ、金属酸化物微粒子の機能発揮を更に促進することができる。
The other metal oxide
この場合、担体10に内在するNOx分解触媒物質(金属酸化物微粒子)20の含有量は、担体10の外表面10aに保持された少なくとも1つの他のNOx分解触媒物質30の含有量よりも多いことが好ましい。これにより、担体10の内部に保持されたNOx分解触媒物質20による機能が支配的となり、安定的にNOx分解触媒物質の機能が発揮される。
In this case, the content of the NOx decomposition catalyst material (metal oxide fine particles) 20 existing in the
[触媒成形体]
一実施形態では、NOx分解触媒構造体を有する触媒成形体が提供されてもよい。触媒成形体は、NOx分解触媒構造体を単独で有していてもよいし、他の触媒構造体を有してもよい。触媒成形体にNOx分解触媒構造体を用いることで、上記と同様の効果を奏することができる。
[Catalyst compact]
In one embodiment, a catalyst molded body having a NOx decomposition catalyst structure may be provided. The catalyst molded body may have a NOx decomposition catalyst structure alone or may have another catalyst structure. By using the NOx decomposition catalyst structure for the catalyst molded body, the same effects as described above can be obtained.
触媒成形体は、好ましくは、基材と、基材の表面上に設けられたNOx分解触媒構造体と、を有する。基材は、軸方向に排気ガスが通過する管状通路を有する部材である。すなわち、その内部を排気ガスが通過する管状通路を有する構造とすることで、NOx分解触媒構造体の排気ガスとの接触面積が大きくなる。このようにNOx分解触媒構造体の排気ガスとの接触面積を大きくすることにより、排気ガスの浄化能を向上させることができる。このような基材としては、好ましくは、ハニカム状基材を挙げることができる。ハニカム状基材の形状は、特に限定されるものではなく、公知のハニカム状基材(一体構造型担体)の中から選択可能である。ハニカム状基材の材料としてはステンレス等の金属、コーディエライト等の耐熱性セラミックスを挙げることができる。 The catalyst molded body preferably has a base material and a NOx decomposition catalyst structure provided on the surface of the base material. The base material is a member having a tubular passage through which exhaust gas passes in the axial direction. That is, by having a structure having a tubular passage through which the exhaust gas passes, the contact area of the NOx decomposition catalyst structure with the exhaust gas increases. As described above, by increasing the contact area of the NOx decomposition catalyst structure with the exhaust gas, the purification ability of the exhaust gas can be improved. As such a base material, Preferably, a honeycomb-shaped base material can be mentioned. The shape of the honeycomb substrate is not particularly limited, and can be selected from known honeycomb substrates (integral structure type carriers). Examples of the material for the honeycomb substrate include metals such as stainless steel and heat-resistant ceramics such as cordierite.
[触媒成形体の製造方法]
一実施形態の触媒成形体の製造方法では、NOx分解触媒構造体に粉砕処理などを行い、粒子状のNOx分解触媒構造体を得る。次に、粒子状のNOx分解触媒構造体に、水などの媒体を混合してスラリーを得る。この後、ハニカム状基材へ該スラリーを塗工、乾燥することにより、ハニカム状基材とハニカム状基材の表面上に設けられたNOx分解触媒構造体とを有する触媒成形体を製造することができる。ハニカム状基材へのスラリーの塗工方法は、特に限定されないがウォッシュコート法が好ましい。上記乾燥時の温度は100〜300℃が好ましく、100〜200℃がより好ましい。加熱手段については、電気炉やガス炉等の公知の加熱手段を用いることができる。
[Method for producing catalyst molded body]
In the method for producing a molded catalyst according to one embodiment, the NOx decomposition catalyst structure is pulverized to obtain a particulate NOx decomposition catalyst structure. Next, the particulate NOx decomposition catalyst structure is mixed with a medium such as water to obtain a slurry. Thereafter, the slurry is applied to the honeycomb substrate and dried to produce a catalyst molded body having the honeycomb substrate and the NOx decomposition catalyst structure provided on the surface of the honeycomb substrate. Can do. A method for applying the slurry to the honeycomb-shaped substrate is not particularly limited, but a wash coat method is preferable. 100-300 degreeC is preferable and the temperature at the time of the said drying has more preferable 100-200 degreeC. About a heating means, well-known heating means, such as an electric furnace and a gas furnace, can be used.
以上、本発明の実施形態に係るNOx分解触媒構造体について述べたが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想に基づいて各種の変形および変更が可能である。 Although the NOx decomposition catalyst structure according to the embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications and changes can be made based on the technical idea of the present invention. .
(実施例1〜384)
[前駆体材料(A)の合成]
シリカ剤(テトラエトキシシラン(TEOS)、和光純薬工業株式会社製)と、鋳型剤としての界面活性剤とを混合した混合水溶液を作製し、適宜pH調整を行い、密閉容器内で、80〜350℃、100時間、水熱処理を行った。その後、生成した沈殿物をろ別し、水およびエタノールで洗浄し、さらに600℃、24時間、空気中で焼成して、表1〜8に示される種類および孔径(nm)の前駆体材料(A)を得た。なお、界面活性剤は、前駆体材料(A)の種類に応じて(「前駆体材料(A)の種類:界面活性剤」)以下のものを用いた。
・MCM−41:ヘキサデシルトリメチルアンモニウムブロミド(CTAB)(和光純薬工業株式会社製)
・SBA−1:Pluronic P123(BASF社製)
(Examples 1 to 384)
[Synthesis of Precursor Material (A)]
A mixed aqueous solution in which a silica agent (tetraethoxysilane (TEOS), manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and a surfactant as a templating agent was mixed was prepared, pH was adjusted as appropriate, and 80 to 80 in a sealed container. Hydrothermal treatment was performed at 350 ° C. for 100 hours. Thereafter, the produced precipitate is filtered off, washed with water and ethanol, and further calcined in the air at 600 ° C. for 24 hours to obtain precursor materials of the types and pore sizes (nm) shown in Tables 1 to 8 ( A) was obtained. The following surfactants were used according to the type of the precursor material (A) (“type of precursor material (A): surfactant”).
MCM-41: hexadecyltrimethylammonium bromide (CTAB) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
・ SBA-1: Pluronic P123 (manufactured by BASF)
[前駆体材料(B)および(C)の作製]
次に、表1〜8に示される種類の金属酸化物微粒子(NOx分解触媒物質)を構成する金属元素(M)に応じて、該金属元素(M)を含有する金属塩を、水に溶解させて、金属含有水溶液を調製した。なお、金属塩は、金属酸化物微粒子の種類に応じて(「金属酸化物微粒子:金属塩」)以下のものを用いた。
・LaMnO3:La−Mn硝酸塩(La(NO3)3・6H2O(99%)およびMn(NO3)2・9H2O(99%)を使用、ともに和光純薬工業株式会社製)
・BaMnO3:Ba−Mn硝酸塩(Ba(NO3)2(99%)およびMn(NO3)2・9H2O(99%)を使用、ともに和光純薬工業株式会社製)
・LaAlO3:La−Al硝酸塩(La(NO3)3・6H2O(99%)およびAl(NO3)3・9H2O(99%)を使用、ともに和光純薬工業株式会社製)
・LaCoO3:La−Co硝酸塩(La(NO3)3・6H2O(99%)およびCo(NO3)2・6H2O(99%)を使用、ともに和光純薬工業株式会社製)
[Preparation of precursor materials (B) and (C)]
Next, the metal salt containing the metal element (M) is dissolved in water according to the metal element (M) constituting the metal oxide fine particles (NOx decomposition catalyst substance) of the types shown in Tables 1 to 8. To prepare a metal-containing aqueous solution. The following metal salts were used according to the type of metal oxide fine particles (“metal oxide fine particles: metal salt”).
· LaMnO 3: La-Mn nitrate (La (NO 3) 3 · 6H 2 O (99%) and Mn (NO 3) using 2 · 9H 2 O (99% ), both manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
· BaMnO 3: Ba-Mn nitrate (Ba (NO 3) 2 ( 99%) and Mn (NO 3) using 2 · 9H 2 O (99% ), both manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
· LaAlO 3: La-Al nitrate (La (NO 3) 3 · 6H 2 O (99%) and Al (NO 3) 3 · 9H 2 using O (99%), both manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
LaCoO 3 : La-Co nitrate (La (NO 3 ) 3 · 6H 2 O (99%) and Co (NO 3 ) 2 · 6H 2 O (99%) are used, both manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
次に、粉末状の前駆体材料(A)に、金属含有水溶液を複数回に分けて少量ずつ添加し、室温(20℃±10℃)で12時間以上乾燥させて、前駆体材料(B)を得た。 Next, the metal-containing aqueous solution is added to the powdery precursor material (A) in small portions in small portions, and dried at room temperature (20 ° C. ± 10 ° C.) for 12 hours or more to obtain the precursor material (B). Got.
なお、表1〜8に示す添加剤の添加の有無の欄が「有り」の場合は、金属含有水溶液を添加する前の前駆体材料(A)に対して、添加剤としてのポリオキシエチレン(15)オレイルエーテル(NIKKOL BO−15V、日光ケミカルズ株式会社製)の水溶液を添加する前処理を行い、その後、上記のように金属含有水溶液を添加したものである。また、添加剤の添加の有無の欄が「無し」の場合については、上記のような添加剤による前処理は行っていない。 In addition, when the column of the presence or absence of the addition of the additive shown in Tables 1 to 8 is “Yes”, the polyoxyethylene as the additive (A) is added to the precursor material (A) before the addition of the metal-containing aqueous solution. 15) A pretreatment of adding an aqueous solution of oleyl ether (NIKKOL BO-15V, manufactured by Nikko Chemicals Co., Ltd.) is performed, and then a metal-containing aqueous solution is added as described above. Further, in the case where the column indicating whether or not an additive is added is “None”, the pretreatment with the additive as described above is not performed.
また、前駆体材料(A)に添加する金属含有水溶液の添加量は、該金属含有水溶液中に含まれる金属元素(M)に対する、前駆体材料(A)を構成するケイ素(Si)の比(原子数比Si/M)に換算したときの数値が、表1〜8の値になるように調整した。 Moreover, the addition amount of the metal-containing aqueous solution added to the precursor material (A) is the ratio of silicon (Si) constituting the precursor material (A) to the metal element (M) contained in the metal-containing aqueous solution ( The numerical values when converted to the atomic ratio (Si / M) were adjusted to the values shown in Tables 1-8.
次に、上記のようにして得られた金属含有水溶液を含浸させた前駆体材料(B)を、600℃、24時間、空気中で焼成して、前駆体材料(C)を得た。 Next, the precursor material (B) impregnated with the metal-containing aqueous solution obtained as described above was baked in air at 600 ° C. for 24 hours to obtain a precursor material (C).
[NOx分解触媒構造体の合成]
上記のようにして得られた前駆体材料(C)と、表1〜8に示す構造規定剤とを混合して混合水溶液を作製し、密閉容器内で、80〜350℃、表1〜8に示すpHおよび時間の条件で、水熱処理を行った。その後、生成した沈殿物をろ別し、水洗し、100℃で12時間以上乾燥させ、さらに600℃、24時間、空気中で焼成して、表1〜8に示す担体と触媒物質としての金属酸化物微粒子とを有するNOx分解触媒構造体を得た(実施例1〜384)。
[Synthesis of NOx decomposition catalyst structure]
The precursor material (C) obtained as described above and the structure directing agent shown in Tables 1 to 8 are mixed to prepare a mixed aqueous solution, and 80 to 350 ° C. and Tables 1 to 8 in a sealed container. Hydrothermal treatment was performed under the conditions of pH and time shown in FIG. Thereafter, the formed precipitate is filtered off, washed with water, dried at 100 ° C. for 12 hours or more, and further calcined in air at 600 ° C. for 24 hours. NOx decomposition catalyst structures having oxide fine particles were obtained (Examples 1 to 384).
(比較例1)
比較例1では、水酸化物ペロブスカイト前駆体の出発原料は実施例と同様のものを用いた。0.1mol/lのLa−Mn硝酸塩混合水溶液を撹拌下の19%アンモニア水に滴下した。滴下後ろ過し、110℃で一晩乾燥させ、水酸化物ペロブスカイト前駆体を得た。得られたペロブスカイト水酸化物前駆体とMFI型のシリカライトをSi/M比=100になる様に純水中に加え,超音波にて分散させ蒸発乾固し焼成することにより、骨格体の外表面にLaMnO3を担持したシリカライトを得た。MFI型シリカライトは、金属を添加する工程以外は、実施例52〜57と同様の方法で合成した。
(Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, the starting material for the hydroxide perovskite precursor was the same as in the example. A 0.1 mol / l La-Mn nitrate mixed aqueous solution was added dropwise to 19% aqueous ammonia under stirring. After dropping, the mixture was filtered and dried at 110 ° C. overnight to obtain a hydroxide perovskite precursor. The obtained perovskite hydroxide precursor and MFI-type silicalite were added to pure water so that the Si / M ratio was 100, dispersed with ultrasonic waves, evaporated to dryness, and fired. Silicalite carrying LaMnO 3 on the outer surface was obtained. MFI type silicalite was synthesized in the same manner as in Examples 52 to 57 except for the step of adding metal.
(比較例2)
比較例2では、骨格体の外表面にLaMnO3を担持させる工程を省略したこと以外は、比較例1と同様の方法にてMFI型シリカライトを合成した。
(Comparative Example 2)
In Comparative Example 2, MFI type silicalite was synthesized by the same method as Comparative Example 1 except that the step of supporting LaMnO 3 on the outer surface of the skeleton was omitted.
[評価]
上記実施例のNOx分解触媒構造体および比較例1の金属酸化物微粒子担持シリカライトについて、以下に示す条件で、各種特性評価を行った。
[Evaluation]
Various characteristics of the NOx decomposition catalyst structure of the above example and the metal oxide fine particle-supported silicalite of Comparative Example 1 were evaluated under the following conditions.
[A]断面観察
上記実施例のNOx分解触媒構造体および比較例1の金属酸化物微粒子担持シリカライトについて、粉砕法にて観察試料を作製し、透過電子顕微鏡(TEM)(TITAN G2、FEI社製)を用いて、断面観察を行った。
その結果、上記実施例のNOx分解触媒構造体では、シリカライトまたはゼオライトからなる担体の内部に金属酸化物微粒子が内在し、保持されていることが確認された。一方、比較例1のシリカライトでは、金属酸化物微粒子が担体の外表面に付着しているのみで、担体の内部には存在していなかった。
[A] Cross-sectional observation With respect to the NOx decomposition catalyst structure of the above example and the silicalite supporting metal oxide fine particles of Comparative Example 1, an observation sample was prepared by a pulverization method, and transmission electron microscope (TEM) (TITAN G2, FEI) Were used for cross-sectional observation.
As a result, in the NOx decomposition catalyst structures of the above examples, it was confirmed that the metal oxide fine particles were inherently held inside the support made of silicalite or zeolite. On the other hand, in the silicalite of Comparative Example 1, the metal oxide fine particles were only attached to the outer surface of the carrier and were not present inside the carrier.
[B]担体の通路の平均内径および金属酸化物微粒子の平均粒径
上記評価[A]で行った断面観察により撮影したTEM画像にて、担体の通路を、任意に500個選択し、それぞれの長径および短径を測定し、その平均値からそれぞれの内径を算出し(N=500)、さらに内径の平均値を求めて、担体の通路の平均内径DFとした。また、金属酸化物微粒子についても同様に、上記TEM画像から、金属酸化物微粒子を、任意に500個選択し、それぞれの粒径を測定して(N=500)、その平均値を求めて、金属酸化物微粒子の平均粒径DCとした。結果を表1〜8に示す。
[B] Average inner diameter of carrier passage and average particle diameter of metal oxide fine particles In a TEM image taken by cross-sectional observation performed in the above evaluation [A], arbitrarily select 500 carrier passages, The major axis and the minor axis were measured, the respective inner diameters were calculated from the average value (N = 500), and the average inner diameter value was further determined as the average inner diameter DF of the carrier passage. Similarly, for metal oxide fine particles, 500 metal oxide fine particles are arbitrarily selected from the TEM image, each particle size is measured (N = 500), and an average value thereof is obtained. It was defined as the average particle diameter D C of the metal oxide fine particles. The results are shown in Tables 1-8.
[C]金属含有溶液の添加量と担体内部に包接された金属量との関係
原子数比Si/M=50,100,200,1000(M=Co、Ni、Fe、Cu)の添加量で、金属酸化物微粒子を担体内部に包接させたNOx分解触媒構造体を作製し、その後、上記添加量で作製されたNOx分解触媒構造体の担体内部に包接された金属量(質量%)を測定した。尚、本測定において原子数比Si/M=100,200,1000のNOx分解触媒構造体は、それぞれ実施例1〜384のうちの原子数比Si/M=100,200,1000のNOx分解触媒構造体と同様の方法で金属含有溶液の添加量を調整して作製し、原子数比Si/M=50のNOx分解触媒構造体は、金属含有溶液の添加量を異ならせたこと以外は、原子数比Si/M=100,200,1000のNOx分解触媒構造体と同様の方法で作製した。
[C] Relationship between the addition amount of the metal-containing solution and the amount of metal included in the support The addition amount of the atomic ratio Si / M = 50, 100, 200, 1000 (M = Co, Ni, Fe, Cu) Then, a NOx decomposition catalyst structure in which metal oxide fine particles are included in the inside of the support is prepared, and then the amount of metal included in the support in the NOx decomposition catalyst structure manufactured in the above addition amount (mass%) ) Was measured. In this measurement, the NOx decomposition catalyst structure having an atomic ratio of Si / M = 100, 200, 1000 is the NOx decomposition catalyst having an atomic ratio of Si / M = 100, 200, 1000 in Examples 1 to 384, respectively. The NOx decomposition catalyst structure having an atomic ratio of Si / M = 50 was prepared by adjusting the addition amount of the metal-containing solution in the same manner as the structure, except that the addition amount of the metal-containing solution was varied. The NOx decomposition catalyst structure having an atomic ratio of Si / M = 100, 200, 1000 was prepared in the same manner.
金属量の定量は、ICP(高周波誘導結合プラズマ)単体か、或いはICPとXRF(蛍光X線分析)を組み合わせて行った。XRF(エネルギー分散型蛍光X線分析装置「SEA1200VX」、エスエスアイ・ナノテクノロジー株式会社製)は、真空雰囲気、加速電圧15kV(Crフィルタ使用)或いは加速電圧50kV(Pbフィルタ使用)の条件で行った。 The amount of metal was determined by using ICP (high frequency inductively coupled plasma) alone or a combination of ICP and XRF (fluorescence X-ray analysis). XRF (energy dispersive X-ray fluorescence spectrometer “SEA1200VX”, manufactured by SSI Nanotechnology Co., Ltd.) was performed under the conditions of a vacuum atmosphere, an acceleration voltage of 15 kV (using a Cr filter), or an acceleration voltage of 50 kV (using a Pb filter). .
XRFは、金属の存在量を蛍光強度で算出する方法であり、XRF単体では定量値(質量%換算)を算出できない。そこで、Si/M=100で金属を添加したNOx分解触媒構造体の金属量は、ICP分析により定量し、Si/M=50および100未満で金属を添加したNOx分解触媒構造体の金属量は、XRF測定結果とICP測定結果を元に算出した。
この結果、少なくとも原子数比Si/Mが50〜1000の範囲内で、金属含有溶液の添加量の増加に伴って、NOx分解触媒構造体に包接された金属量が増大していることが確認された。
XRF is a method of calculating the abundance of a metal by fluorescence intensity, and a quantitative value (mass% conversion) cannot be calculated with XRF alone. Therefore, the amount of metal in the NOx decomposition catalyst structure added with metal at Si / M = 100 is determined by ICP analysis, and the amount of metal in the NOx decomposition catalyst structure added with metal at Si / M = 50 and less than 100 is The calculation was made based on the XRF measurement results and the ICP measurement results.
As a result, the amount of metal included in the NOx decomposition catalyst structure increases as the addition amount of the metal-containing solution increases at least in the atomic ratio Si / M in the range of 50 to 1000. confirmed.
[D]性能評価
上記実施例のNOx分解触媒構造体および比較例1のシリカライトについて、金属酸化物微粒子(NOx分解触媒物質)がもつ触媒能(触媒活性および耐久性)を評価した。結果を表1〜8に示す。
[D] Performance Evaluation The catalytic ability (catalytic activity and durability) of the metal oxide fine particles (NOx decomposition catalyst substance) was evaluated for the NOx decomposition catalyst structures of the above examples and the silicalite of Comparative Example 1. The results are shown in Tables 1-8.
(1)触媒活性
上記にて得られた実施例1〜384の各NOx分解触媒構造体および比較例1のシリカライトを、常圧流通式反応装置に0.2g充填し、NO(一酸化窒素)を含むガスを流速1.0ml/minで流し、直接分解反応を行った。
(1) Catalytic activity Each NOx decomposition catalyst structure of Examples 1 to 384 obtained above and silicalite of Comparative Example 1 were charged in 0.2 g in a normal pressure flow reactor, and NO (nitrogen monoxide). ) Was allowed to flow at a flow rate of 1.0 ml / min, and a direct decomposition reaction was performed.
反応終了後に、回収した生成ガスの成分を、ガスクロマトグラフィー質量分析法(GC/MS)により分析した。なお、生成ガスの分析装置には、TRACE1310GC(サーモフィッシャーサイエンティフィック株式会社製、検出器:熱伝導度検出器)を用いた。 After completion of the reaction, the components of the collected product gas were analyzed by gas chromatography mass spectrometry (GC / MS). Note that TRACE1310GC (manufactured by Thermo Fisher Scientific Co., Ltd., detector: thermal conductivity detector) was used as the product gas analyzer.
さらに、上記分析結果に基づき、N2(窒素)の収率(mol%)を求めた。N2の収率は、反応開始前のNOの物質量(mol)に対する、生成ガス中に含まれるN2の物質量の総量(mol)の百分率(mol%)として算出した。 Furthermore, based on the above analysis results, the yield (mol%) of N 2 (nitrogen) was determined. The yield N 2 is for the amount of substance of NO before the start of the reaction (mol), was calculated as a percentage (mol%) of the total amount of substance amount of N 2 contained in the produced gas (mol).
本実施例では、生成ガス中に含まれるN2の収率が、80mol%以上である場合を触媒活性(分解能)が優れていると判定して「◎」、50mol%以上80mol%未満である場合を触媒活性が良好であると判定して「○」、20mol%以上50mol%未満である場合を触媒活性が良好ではないものの合格レベル(可)でありと判定して「△」、そして20mol%未満である場合を触媒活性が劣る(不可)と判定して「×」とした。 In this example, when the yield of N 2 contained in the product gas is 80 mol% or more, it is determined that the catalytic activity (resolution) is excellent, and “」 ”is 50 mol% or more and less than 80 mol%. The case where the catalytic activity is good is judged as “◯”, and the case where it is 20 mol% or more and less than 50 mol% is judged that the catalytic activity is not good but the acceptable level is “△”, and 20 mol. The case where it was less than% was judged that the catalyst activity was inferior (impossible), and was set as “x”.
(2)耐久性(寿命)
各NOx分解触媒構造体について、650℃で12時間加熱した後、室温まで冷却し30分放置することを10回繰り返す熱サイクル試験を行なった後に、上記(1)と同様の触媒反応試験を実施した。耐久性は、CO酸化反応およびプロパン酸化反応の双方について、生成ガス中に含まれるCO2の生成量の割合を算出し、以下の評価基準に基づき、NOx分解触媒構造体を「◎」、「○」、「△」および「×」で評価付けした。
(2) Durability (life)
Each NOx decomposition catalyst structure was heated at 650 ° C. for 12 hours, then cooled to room temperature and allowed to stand for 30 minutes. After conducting a
<触媒活性の評価基準>
「◎」:回収した全ての生成ガスの合計生成量に対するCO2の生成量の割合が、両酸化反応ともに、上記(1)で行った触媒活性に比べて90%以上維持している場合。
「○」:回収した全ての生成ガスの合計生成量に対するCO2の生成量の割合が、両酸化反応ともに、上記(1)で行った触媒活性に比べて70%以上維持し、かつ少なくとも一方の酸化反応で90%未満である場合。
「△」:回収した全ての生成ガスの合計生成量に対するCO2の生成量の割合が、両酸化反応ともに、上記(1)で行った触媒活性に比べて20%以上維持し、かつ少なくとも一方の酸化反応で70%未満である場合。
「×」:回収した全ての生成ガスの合計生成量に対するCO2の生成量の割合が、少なくとも一方の酸化反応で、上記(1)で行った触媒活性に比べて20%未満である場合。
<Criteria for evaluating catalyst activity>
“A”: When the ratio of the amount of CO 2 produced with respect to the total amount of all collected product gases is maintained at 90% or more in both oxidation reactions compared to the catalytic activity performed in the above (1).
“◯”: The ratio of the amount of CO 2 generated to the total amount of all the collected product gases is maintained at 70% or more in both oxidation reactions as compared to the catalytic activity performed in the above (1), and at least one of them When the oxidation reaction is less than 90%.
“Δ”: The ratio of the amount of CO 2 generated to the total amount of all the recovered product gases is maintained at 20% or more in both oxidation reactions compared to the catalytic activity performed in the above (1), and at least one of them When the oxidation reaction is less than 70%.
“X”: When the ratio of the amount of CO 2 produced to the total amount of all the produced gas collected is less than 20% in at least one of the oxidation reactions compared to the catalytic activity performed in the above (1).
比較例1〜2についても、上記評価(1)および(2)と同様の性能評価を行った。なお、比較例2は、担体そのものであり、NOx分解触媒物質は有していない。そのため、上記性能評価では、NOx分解触媒構造体に替えて、比較例2の担体のみを充填した。
これらの評価結果を表1〜表8に示す。
About Comparative Examples 1-2, the same performance evaluation as said evaluation (1) and (2) was performed. In addition, the comparative example 2 is a support | carrier itself, and does not have a NOx decomposition | disassembly catalyst substance. Therefore, in the performance evaluation, only the carrier of Comparative Example 2 was filled instead of the NOx decomposition catalyst structure.
These evaluation results are shown in Tables 1 to 8.
表1〜8から明らかなように、断面観察により担体の内部に金属酸化物微粒子が保持されていることが確認されたNOx分解触媒構造体(実施例1〜384)は、単に金属酸化物微粒子が担体の外表面に付着しているだけのシリカライト(比較例1)や金属酸化物微粒子を何ら有していない担体そのもの(比較例2)と比較して、COおよびプロパンのいずれの酸化反応においても優れた触媒活性を示し、触媒としての耐久性にも優れていることが分かった。 As is apparent from Tables 1 to 8, the NOx decomposition catalyst structures (Examples 1 to 384) in which the metal oxide fine particles were confirmed to be held inside the support by cross-sectional observation were simply metal oxide fine particles. Compared with silicalite (Comparative Example 1) in which only the metal adheres to the outer surface of the carrier and the carrier itself without any metal oxide fine particles (Comparative Example 2), any oxidation reaction of CO and propane Also showed excellent catalytic activity, and was found to be excellent in durability as a catalyst.
一方、担体の外表面にのみ金属酸化物微粒子を付着させた比較例1のシリカライトは、金属酸化物微粒子を何ら有していない比較例2の担体そのものと比較して、COおよびプロパンのいずれの酸化反応においても触媒活性は改善されるものの、実施例1〜384のNOx分解触媒構造体に比べて、触媒としての耐久性は劣っていた。 On the other hand, the silicalite of Comparative Example 1 in which the metal oxide fine particles are attached only to the outer surface of the carrier is either CO or propane as compared with the carrier of Comparative Example 2 which does not have any metal oxide fine particles. Although the catalytic activity was also improved in this oxidation reaction, the durability as a catalyst was inferior to the NOx decomposition catalyst structures of Examples 1 to 384.
また、金属酸化物微粒子を何ら有していない比較例2の担体そのものは、NOx還元反応において触媒活性は殆ど示さず、実施例1〜384のNOx分解触媒構造体と比較して、触媒活性および耐久性の双方が劣っていた。 Further, the support itself of Comparative Example 2 that does not have any metal oxide fine particles shows almost no catalytic activity in the NOx reduction reaction, and compared with the NOx decomposition catalyst structures of Examples 1 to 384, the catalytic activity and Both durability was inferior.
なお、上記の実施例では示していないが、本発明者らは、本発明のNOx分解触媒構造体を用いて、窒素酸化物(NOx)を含んだ排気ガスを浄化する実験を行っており、NOx分解触媒構造体による反応によって窒素酸化物(NOx)をN2とO2に高効率で分解して浄化することができ、しかも、効率が長時間にわたってさほど低下することなく維持されることを確認している。 Although not shown in the above embodiment, the present inventors have conducted experiments to purify exhaust gas containing nitrogen oxides (NOx) using the NOx decomposition catalyst structure of the present invention, Nitrogen oxide (NOx) can be decomposed into N 2 and O 2 with high efficiency and purified by the reaction by the NOx decomposition catalyst structure, and the efficiency can be maintained for a long time without significantly decreasing. I have confirmed.
1 NOx分解触媒構造体
10 担体
10a 外表面
11 通路
11a 孔
12 拡径部
20 NOx分解触媒物質
30 他のNOx分解触媒物質
DC NOx分解触媒物質(金属酸化物微粒子)の平均粒径
DF 通路の平均内径
DE 拡径部の内径
The average particle diameter D F passages 1 NOx
Claims (23)
前記担体に内在する、ペロブスカイト型酸化物を含有する金属酸化物からなる少なくとも1つのNOx分解触媒物質と、
を備え、
前記担体が、互いに連通する通路を有し、
前記NOx分解触媒物質が、前記担体の少なくとも前記通路に存在していることを特徴とするNOx分解触媒構造体。 A porous structure carrier composed of a zeolite-type compound;
At least one NOx decomposition catalyst material comprising a metal oxide containing a perovskite oxide, which is inherent in the carrier;
With
The carrier has passages communicating with each other;
The NOx decomposition catalyst structure, wherein the NOx decomposition catalyst material is present in at least the passage of the carrier.
前記通路の平均内径は、0.1〜1.5nmであり、
前記拡径部の内径は、0.5〜50nmであることを特徴とする、請求項1〜11のいずれか1項に記載のNOx分解触媒構造体。 The passage is any one of a one-dimensional hole, a two-dimensional hole, and a three-dimensional hole defined by a skeleton structure of the zeolite-type compound, and any one of the one-dimensional hole, the two-dimensional hole, and the three-dimensional hole. Have different diameter expansion parts,
An average inner diameter of the passage is 0.1 to 1.5 nm,
12. The NOx decomposition catalyst structure according to claim 1, wherein an inner diameter of the expanded portion is 0.5 to 50 nm.
前記前駆体材料(B)を焼成して得られた前駆体材料(C)を水熱処理する水熱処理工程と、
を有することを特徴とするNOx分解触媒構造体の製造方法。 A firing step of firing a precursor material (B) impregnated with a metal-containing solution into a precursor material (A) for obtaining a porous structure carrier composed of a zeolite-type compound;
A hydrothermal treatment step of hydrothermally treating the precursor material (C) obtained by firing the precursor material (B);
A process for producing a NOx decomposition catalyst structure, comprising:
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