JP2019520974A - Ｐｇｍ及びｏｓｃの組合せを含む触媒物品 - Google Patents

Abstract

本開示は、触媒材料及び該触媒材料で形成した触媒物品を提供する。触媒材料は、特に、少なくとも１種の白金族金属と少なくとも１種の希土類金属酸化物との固溶体を含む酸素貯蔵成分を有すことができる。一以上の実施形態では、触媒材料は白金族金属（例えば、パラジウム）と混合金属酸化物（例えば、セリア／ジルコニア）との固溶体を含むことができる。
【選択図】図１

Description

開示の分野
本開示は触媒材料及び該触媒材料から製造した触媒物品（catalytic articles）に関する。特に、本開示は、少なくとも１種の白金族金属と少なくとも１種の希土類金属酸化物との固溶体及び該固溶体から形成した触媒物品に関する。

背景
三元変換（ＴＷＣ）触媒は、エンジン排気流中の未燃焼炭化水素（ＨＣｓ）及び一酸化炭素（ＣＯ）の酸化を触媒し、また、窒素酸化物（ＮＯｘ）の窒素への還元を触媒するためにエンジン排気流に使用されている。ＴＷＣ触媒中に酸素貯蔵成分（ＯＳＣ）を存在させることにより、リーン状態下では酸素を貯蔵し触媒に吸着されたＮＯｘの還元を促進することができ、また、リッチ状態下では酸素を放出して触媒に吸着されたＨＣｓ及びＣＯの酸化を促進することが可能となる。ＴＷＣ触媒は、典型的には、高表面積の耐火性酸化物担体のような担体、例えば高表面積アルミナ上に、又はセリアージルコニア複合体のような複合担体上に配置させた１種以上の白金族金属（例えば、白金、パラジウム、ロジウム、及び／又はイリジウム）を具備している。この担体は、耐火性セラミック又は金属ハニカム構造体を含むモノリシック（monolithic）担体、又は適切な耐火性材料の球状物又は短い押出物のような耐火性粒子などのような、適切な担体又は基材（基体）に担持されている。

ＴＷＣの高い変換効率は、空気／燃料比（空燃比）の非常に狭い「操作ウィンドウ」（operation window）内でのみ達成できる。実際には、空燃比は、エンジンの動作モードの変化により、ある程度（理論的には１±０．０５）理論値付近で変動する。その結果、ＴＷＣは３種類の汚染物質（ＨＣｓ、ＣＯ、ＮＯｘ）全てを同時に排除することはできない。従って、優れたＴＷＣであるためには、実際の自動車排出ガス環境に繰り返し暴露された後でさえ、大きな操作ウィンドウを有することが非常に重要かつ不可欠である。ＴＷＣへ酸素貯蔵剤を加えるのは、操作ウィンドウを拡大し、したがって、リーンバーン及びリッチバーン状態で最適な作業効率を達成するためである。

ＯＳＣｓには相当な費用が掛かるので、ＴＷＣに有効性を実現するような更に別の材料を提供することが望ましい。このように、当技術分野にあっては、熱的に安定な触媒材料であって、その各成分を効率的に使用できる触媒材料の必要性が継続している。

開示内容の概要
本開示は、触媒材料及び触媒物品を提供する。１つ以上の実施形態において、本開示は、特に、三元触媒に用いるような酸素貯蔵成分として有用な材料に関する。本発明の材料は、白金族金属（ＰＧＭ）と希土類金属とが固溶体として提供され、これらの間の相互作用が改善することから、改善した諸特性を示すことができる。例えば、これらの物質を共沈させることにより当該固溶体を形成することができる。ＰＧＭは、単一金属と組み合わせることもでき、又は、混合金属酸化物（例えば、酸化セリウム及び酸化ジルコニウムなどのような、少なくとも２種の金属の酸化物）との固溶体として存在することもできる。

幾つかの実施形態では、本開示は、特に、少なくとも１種のＰＧＭ（白金族金属）と少なくとも１種の希土類金属酸化物とを含む、固溶体の形態の複合材料に関することができる。更なる実施形態では、この複合材料は以下の記載の１つ又は複数の事項との関連で定義することができる。下記の記載事項は任意の数及び順序で組み合わせることが可能である。

ＰＧＭとしては、パラジウムとすることもでき、又は、異なるＰＧＭとすることもでき、又は、Ｐｄと１種又はそれ以上の更なる別のＰＧＭとの混合物とすることもできる。
希土類金属酸化物としては、セリアであってもよく、又は、異なる希土類金属酸化物であってもよく、又はセリア及び１種以上の更なる希土類金属酸化物との混合物であってもよい。

複合材料は、更に、ジルコニアなどの、異なる金属（例えば、希土類金属を除く）の酸化物を含むことができる。

複合材料は、更に、１種以上の、ランタン、イットリウム、ネオジム、ガドリニウム、又はプラセオジムの酸化物を含むことができる。

複合材料は、更に、１種以上の、ニオブ、鉄、ニッケル、銀、コバルト、マンガン、銅、及びタングステンの酸化物を含むことができる。

複合材料は、更に、固溶体を担持する担体材料を含むことができる。

固溶体に使用する担体材料がアルミナであることができる。

固溶体に使用する担体材料としては、ＯＳＣ（例えば、セリア／ジルコニア、又はこれに類似の材料）とすることもできる。

少なくとも１種のＰＧＭと少なくとも１種の希土類金属との固溶体を担体材料に含浸させることができる。

固溶体としては、少なくとも１種のＰＧＭと少なくとも１種の希土類金属酸化物の共沈物（co-precipitate）であることができる。

複合材料は、固溶体の一部ではない少なくとも１種の他の更なるＰＧＭ（すなわち、固溶体とは別に複合材料に加えるもの）を含むことができる。

複合材料は、固溶体の一部ではない少なくとも１種の他の更なる希土類金属酸化物（すなわち、固溶体とは別に複合材料に加えるもの）を含むことができる。

一以上の実施形態において、本開示は、具体的には、ここに記載する複合材料を包含する触媒物品に関することができる。例えば、本開示は、本明細書に記載した各実施形態の組合せからなるいずれか１つの実施形態に係る複合材料を含有する酸素貯蔵成分を含む三元触媒組成物を提供することができる。触媒物品は、担体とは独立していてもよい。しかしながら、幾つかの実施形態では、触媒物品としては、本明細書に記載した複合材料をウォッシュコートとして含ませた担体（例えば、ハニカムモノリス）を含むことができる。

さらに、幾つかの実施形態において、本開示は複合酸素貯蔵成分を製造する方法に関することができる。例えば、この方法は、ＰＧＭの化合物を希土類金属の化合物と組み合わせて又は混合して液体溶液を形成すること、及び、液体溶液からＰＧＭ及び希土類金属を共沈させてＰＧＭと希土類金属との固溶体を形成することを含むことができる。更なる実施形態では、この方法を以下の記載事項の１つ又は複数によって特徴づけることができる。この記載事項は任意の数及び順序で組み合わせることが可能である。

ＰＧＭ及び希土類金属は、担体材料（例えば、アルミナ担体、又はＯＳＣ−例えば、セリア／ジルコニアからなる担体）の表面上に共沈させることができる。

ＰＧＭと希土類金属との固溶体は、担体材料（例えば、アルミナ担体、又はＯＳＣ−例えば、セリア／ジルコニアからなる担体）に含浸させることができる。

共沈工程は、液体溶液のｐＨを約８以上に上昇させるのに十分な量のアルカリ化物質を添加することを含むことができる。

この方法は、ＰＧＭと希土類金属との固溶体を洗浄し濾過して濾過ケークを形成することを含むことができる。

この方法は、濾過ケークを約３００℃以上の温度で約１０分以上の時間にわたって仮焼する（calcining）ことを含むことができる。仮焼後、固溶体は、ＰＧＭ、及び希土類金属の酸化物を含むことができる。例えば、仮焼後、固溶体は、パラジウム及び酸化セリウムを含むことができる。

複合酸素貯蔵成分の形成には、非希土類金属を添加して共沈を行うことを含むことができる。例えば、ジルコニウム化合物を利用することができ、仮焼した後の複合ＯＳＣは、ＰＧＭ、希土類金属酸化物、及び非希土類金属の酸化物を含むことができる。

本開示の１つ以上の実施形態に係る、担体上の、白金族金属と希土類金属酸化物との固溶体を示す図である。 本開示の１つ以上の実施形態に係る、触媒組成物で被覆されたハニカムモノリスの形態の例示的基材を示す図である。 比較用ＯＳＣ材料及び本開示の例示的実施形態に係る本発明ＯＳＣ材料についての昇温還元（ＴＰＲ）トレースを示すグラフである。 ２種類の比較用ＯＳＣ材料、及び本開示の例示的実施形態に係る本発明ＯＳＣ材料についてのＴＰＲトレースを示すグラフである。

開示の詳細な説明
本発明について、以下で、様々な実施形態を参照してより完全に説明する。実施形態は、本開示が余すところなく、かつ完全であり、さらに、十分に本発明の範囲を当業者に対して示すことができるように提供される。実際、本発明は、多くの異なる形態で具体化されてもよく、本明細書に記載の実施形態に限定されるものと解釈されるべきではない。むしろ、この実施形態は、適用される法的要件を本開示が満たすように提供するものである。本明細書及び添付の特許請求の範囲で使用した、単数形「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」は、文脈上別途明確に明示されない限り、複数の指示対象物を含む。

本開示は触媒材料及び該触媒材料から製造した触媒物品に関する。特に、本開示は、改善された特性を示す酸素貯蔵成分（ＯＳＣｓ）を提供する。１つ以上の実施形態において、本開示は、ＯＳＣｓとして有効な複合材料であって、基材（これもＯＳＣであることが可能）と結合させることができる複合材料を提供する。複合材料は、少なくとも１種の白金族金属（ＰＧＭ）と少なくとも１種の希土類金属酸化物との結合体をもたらし、ここでは、ＰＧＭと希土類金属酸化物とがＯＳＣの総合的機能を改善するという相乗作用を示すことができる。特に、ＰＧＭ及び希土類金属酸化物は、固溶体の形態であることができる。理論に束縛されることを望むものではないが、ＰＧＭ及び希土類金属酸化物を固溶体で提供することによって、このＰＧＭ原子及び希土類金属原子をより近接した配置で維持することができ、各成分がより効果的に機能することが可能となると考えられる。同様に、他のＯＳＣ材料よりも大きい割合（パーセンテージ）で希土類金属を複合材料の表面近傍に配置することができる。ＰＧＭはセリア／ジルコニア材料のような予め形成されたＯＳＣの表面に含浸させることができる。

１つ以上の実施形態において、本開示は、少なくとも１種のＰＧＭ及び少なくとも１種の希土類金属酸化物を含み、そのＰＧＭ及び希土類金属酸化物が固溶体の形態である複合材料を提供する。本明細書で使用したように、用語「固溶体」は、溶媒中の１種以上の溶質の均質混合物を指すものと理解される。ここで、均質混合物は固体状態にあり、溶媒の結晶構造は当該１種以上の溶質の存在によって実質的に変化することがない。幾つかの実施形態では、ＰＧＭが溶質であってもよく、また、希土類金属酸化物が固溶体の溶媒であってもよい。固溶体は、独立していてもよく（例えば、固溶体から実質的に完全に形成された粒子形態であってもよい）、あるいは、支持材料上に支持されていてもよい。幾つかの実施形態では、固溶体について、ＰＧＭと希土類金属との共沈物であると定義することができる。

ＰＧＭは、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、及び白金のいずれかを指すことができる。好適な実施形態では、特に、パラジウムをＰＧＭとして使用することができる。本明細書に記載した固溶体は、幾つかの実施形態では、１種以上のＰＧＭの存在を明白に排除することができる。例えば、パラジウムと少なくとも１種の希土類金属酸化物との固溶体は、ルテニウム、ロジウム、オスミウム、イリジウム及び白金のいずれか１つ又は任意の組合せを実質的に含まないか、又は全く含まなくてもよい。実質的に含まないとは、固溶体が、含まないとされた金属を０．０１質量％未満の量でしか含まないことを意味する。ＰＧＭと希土類金属酸化物との固溶体は、固溶体の全質量に対して、約０．０５質量％〜約５質量％、約０．１質量％〜約３質量％、又は約０．２質量％〜約２質量％のＰＧＭを含むものが好ましい。

希土類金属とは、希土類元素の範疇に属すると一般的に認識されている金属のことをいう。好適な実施形態では、希土類金属酸化物は、イットリウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、サマリウム、ガドリニウム、及びテルビウムのいずれかの酸化物であってもよい。好適な実施形態では、セリウム、ランタン、及び／又はイットリウムを希土類金属酸化物で、例えばセリア（ＣｅＯ_２）、ランタナ（Ｌａ_２Ｏ_３）、及びイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）などで使用することができる。ＰＧＭと希土類金属酸化物との固溶体は、固溶体の全質量に対して、約１０質量％〜約９９．９質量％、約２０質量％〜約９９．８質量％、又は約６０質量％〜約９９．７質量％の希土類金属酸化物を含むことが好ましい。

幾つかの実施形態では、固溶体は、ＰＧＭ及び希土類金属の酸化物に加えて、１種以上の更なる材料を含むことができる。例えば、１種以上の更なる金属酸化物が含まれてもよい。幾つかの実施形態では、ジルコニア（ＺｒＯ_２）は、固溶体の総質量に対して最大で７５質量％まで、６０質量％まで、又は５０質量％までの量で含まれていてもよい。

１つ以上の実施形態において、本明細書に記載の複合材料は、１種以上のＰＧＭ及び／又は１種以上の希土類金属及び／又は固溶体の一部ではない１種以上の更なる金属を含むことができる。例えば、固溶体の形成後にＰＧＭを複合体に添加することもできる。また、別の例としては、固溶体を別個のＯＳＣと組み合わせ（混合し）てもよい。ＯＳＣに言及するときは、多原子価状態を有し、さらに、酸化条件下で、酸素又は亜酸化窒素などの酸化剤と積極的に反応することができ、あるいは、還元条件下で一酸化炭素（ＣＯ）や水素などの還元剤と反応することができるものを指すことができる。幾つかの実施形態では、適切なＯＳＣｓとしては混合酸化物の形態であってもよい。適切な混合酸化物の非限定的な具体例としては、セリウム及びジルコニウムの混合酸化物；セリウム、ジルコニウム及びネオジムの混合酸化物；セリウム、ジルコニウム及びランタンの混合酸化物；セリウム、ジルコニウム、ランタン及びネオジムの混合酸化物；セリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム及びイットリウムの混合酸化物；プラセオジム及びジルコニウムの混合酸化物；ランタン及びジルコニウムの混合酸化物；イットリウム及びジルコニウムの混合酸化物；セリウム、ジルコニウム及び１種以上の更なる希土類金属の混合酸化物；プラセオジム、ジルコニウム及び１種以上の更なる希土類金属の混合酸化物；ランタン、ジルコニウム及び１種以上の希土類金属の混合酸化物；イットリウム、ジルコニウム及び１種以上の希土類金属の混合酸化物；及び、プラセオジム、ジルコニウム及び１種以上の希土類金属の混合酸化物が挙げられる。

所望であれば、複合材料は、少なくとも部分的に固溶体を担持する担体材料を含むことができる。例えば、図１は、担体部材７で担持された固溶体５を示す。固溶体５は、散在するＰＧＭ原子（Ｐ）を有する金属酸化物原子（Ｍ及びＯ）から形成された溶媒を含む。幾つかの実施形態では、適切な担体材料としてはアルミナであってもよい。１つの特定の適切な具体例はガンマアルミナである。幾つかの実施形態では、適切な担体材料としてはＯＳＣであってもよい。例えば、上記で定義した混合金属酸化物をＯＳＣ担体材料として使用することができる。固溶体は、固溶体形成中又は固溶体形成後に、担体材料と結合させることができる。１つ以上の実施形態では、固溶体を担体材料に含浸させることができ、又は固溶体を支持材料上に共沈させることができる。

ＯＳＣｓとして特に有用である可能性のある複合材料は、ＰＧＭ及び希土類金属を共沈させる方法によって製造することができる。１つ以上の実施形態では、複合材料の製造は、白金族金属化合物と希土類金属化合物とを混ぜ合わせて液体溶液を形成することによって行うことができる。その後、この液体溶液から白金族金属と希土類金属とを共沈させて、白金族金属と希土類金属との固溶体を形成することができる。

共沈物を形成するには、ＰＧＭ及び希土類金属用の前駆体化合物を溶解させて水溶液を形成する。溶解させるには、加熱しながら及び／又は撹拌しながら行うことができる。加熱は、室温を超える温度から、約８０℃まで、約７０℃まで、又は約６０℃までの温度で行うことができる。幾つかの実施形態では、加熱を約４０℃〜約８０℃の温度範囲で行うことができる。

幾つかの実施形態においては、複合材料に含ませるべき金属種の全てを同じ水溶液中に供給してもよい。これには、全てのＰＧＭ種、全ての希土類金属種、及び形成すべき固溶体に含めるのが望ましい任意の更なる金属種が含まれる。

本明細書に記載の共沈物を形成するのに使用できる金属前駆体化合物の非限定的な具体例としては、ＰＧＭの硝酸塩、希土類金属の硝酸塩、及び所望の更なる金属（例えば、ジルコニウム）の硝酸塩を挙げることができる。一旦金属化合物が溶液中に存在すると、沈殿剤を添加して沈殿操作を行うことができる。１つ以上の実施形態では、その沈殿剤としては、ｐＨ調整剤、好ましくはアルカリ化剤であることができる。幾つかの実施形態では、初期金属化合物溶液は、約６以下、約５以下、又は約４以下のｐＨを有するような、実質的に酸性であってもよい。沈殿剤は、例えば、溶液ｐＨを約７以上、約７．５以上、約８以上、又は約８．５以上に上昇させるように構成することができる。沈殿剤としては、約７〜約１２の溶液ｐＨを実現するように構成することが好ましい。使用することができる沈殿剤の非限定的な具体例としては、アンモニア種及び水酸化物類が挙げられる。幾つかの実施形態では、水酸化ナトリウムを使用することができる。沈殿剤を添加することは、金属種を溶液から共沈させるのに有効である。

共沈物を濾過し洗浄して可溶性副生成物を除去することができる。有益なことに、この共沈物は十分に安定であり、その結果、洗浄によって金属沈殿物が失われることはほとんど又は全くない。例えば、脱イオン水を用いて洗浄を行うことができる。洗浄は、ブフナー漏斗、フィルタープレスなどを使用するなどの様々な方法で行うことができる
得られた濾過ケークを乾燥して粒状固体の形態として共沈物を生成することができる。例えば、幾つかの実施形態では、共沈物の乾燥は、仮焼トレー中、約８０℃〜約２００℃、約８５℃〜約１８０℃、又は約９０℃〜約１６０℃の温度で、約１時間〜約４８時間、約２時間〜約３６時間、又は約３時間〜約２４時間の間行うことができる。乾燥した濾過ケークを粉末形態に粉砕することができる。

１つ以上の実施形態では、乾燥した濾過ケーキを仮焼することができる。非仮焼濾過ケークも触媒材料として有用である可能性があるが、仮焼することで、生じる材料形態との関連で共沈物に特に有用な特性を付与することができる。乾燥した濾過ケークの仮焼は、約３００℃以上の温度、例えば約３００℃〜約７００℃、約３５０℃〜約６５０℃、又は約４００℃〜約６００℃で、約１０分〜約１２時間、約３０分〜約８時間、又は約１時間〜約６時間の間行うことができる。

好ましいことに、乾燥及び／又は仮焼することは、共沈物中の実質的に全ての希土類金属化合物を酸化物形態に変換するのに有効である。実質的に全ての希土類金属が酸化物の形態で存在するとは、共沈物中少なくとも９９質量％、少なくとも９９．５質量％、又は少なくとも９９．９質量％の希土類金属化合物が酸化物の形態で存在することを指すことがある。

幾つかの実施形態では、ＰＧＭ及び希土類金属を担体材料の表面上に共沈させることができる。例えば、沈殿剤（例えば、ｐＨ調整剤）を添加する前に、ＰＧＭ前駆体化合物（複数含む）及び希土類金属化合物（複数含む）の初期溶液に担体材料を添加することができる。上記したように、担体は、触媒物品に使用するのに適した任意の材料、例えば、アルミナ又はＯＳＣ材料などであってもよい。特に、γ（ガンマ）−アルミナ、及び／又はセリア／ジルコニアＯＳＣを使用することができる。更なる実施形態では、ＰＧＭ及び希土類金属を固溶体の形態で提供してもよく、この固溶体は、例えば、含浸操作などを介して担体材料に加えることができる。

現在記載している複合材料は、多数の触媒材料及び触媒物品で利用することができる。例えば、ＯＳＣは本明細書に記載した複合材料を含むことができる。さらに、このＯＳＣは、ＴＷＣ、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）、又はその他の自動車触媒に利用することもできる。

１つ以上の実施形態で、本開示に係る触媒物品は、基材と、該基材の１つ以上の表面に設けたコーティングを含むことができる。かかる実施形態では、少なくともこのコーティング中には本明細書に記載するような複合体を含む触媒材料が存在することができる。特に、基材上のコーティングは、複合材料を含有するＯＳＣを含むことができる。幾つかの実施形態では、触媒材料をウォッシュコートに使用することができる。本明細書で使用する「ウォッシュコート」という用語は、担体基材材料に塗布された触媒材料又はその他の材料のコーティングであって、薄くて付着性のあるものであるという、当技術分野における通常の意味を有する。当技術分野で理解されているように、ウォッシュコートはスラリー中の粒子分散物から得られるものであって、この分散物を基材に塗布し、乾燥し、仮焼して多孔質ウォッシュコートを得る。本明細書で使用する「基材」という用語は、処理するガス流を通過させるのに十分に多孔質である、ハニカム型担体部材などのような、モノリシック材料を指すものであり、その上に典型的にはウォッシュコートの形態で触媒が配置される。

ウォッシュコートは、典型的には、液体溶媒中に、ある一定の触媒材料固形分（例えば、３０〜９０質量％）を含むスラリーを調製することによって形成する。次いで、このスラリーを基材上に塗布し乾燥してウォッシュコート層を得る。本開示に係るコーティング組成物は、実質的に、複合材料及び懸濁剤（特に水）のみを含むことができる。幾つかの実施形態では、コーティング組成物は、更なる金属酸化物、及び場合により、更なる担体材料（例えば、ゼオライト、アルミナ、ＯＳＣｓなど）を含むことができる。幾つかの実施形態では、１種以上のバインダー材料を使用することができる。追加のバインダーは、存在する場合、当業者に公知のバインダーから選択することができる。１つ以上の実施形態において、追加のバインダーとしては、チタニア、アルミナ、ジルコニア、又はシリカバインダーとすることができる。例えば、限定するものではないが、バインダーは、オキシ塩化チタン（ＴｉＯＣｌ_２）、オキシ硫酸チタン（ＴｉＯＳＯ_４）、三水和アルミナ（Ａｌ（ＯＨ）_３）、ベーマイト（ＡｌＯ（ＯＨ））、硝酸アルミニウムＡｌ（ＮＯ_３）_３、ＳｉＯ_２ゾル（例えば、市販のＮａｌｃｏ（登録商標）１０３４Ａ）、及びジルコニア化合物から選ぶことができる。しかし、幾つかの実施形態では、コーティング組成物が、いかなるバインダーも明白に含まないことも可能である。

１つ以上の実施形態によれば、触媒組成物用基材は、典型的には、自動車用触媒を製造するために使用する任意の材料から構成したものであってもよく、また、典型的には金属又はセラミックハニカム構造体を含むものである。基材は、典型的には、触媒組成物が塗布され付着される複数の壁面を供するものであり、それによって触媒組成物の担体として作用する。例えば、基材は、フロースルー（flow-through）ハニカムモノリス、ウォールフロー（壁流：wall-flow）フィルター、発泡体、又は網状体のうちの１つ又はそれ以上から選択することができる。触媒材料は、特にウォッシュコートとして基材に、又はその他の適切な形態で、及び／又はコーティング法で基材に塗布することができる。例示的な金属基材としては、耐熱性金属及び金属合金、例えばチタン及びステンレス鋼、並びに鉄が実質的又は主要な成分となっている他の合金が挙げられる。このような合金は、ニッケル、クロム、及び／又はアルミニウムの１種以上を含有してもよく、これら金属の総量は、少なくとも１５質量％の合金、例えば、１０〜２５質量％のクロム、３〜８質量％のアルミニウム、及び２０質量％以下のニッケルからなることが有利である。合金は、また、１種以上のその他の金属、例えば、マンガン、銅、バナジウム、チタンなどを少量又は微量含むことができる。表面又は金属担体は、高温で、例えば１０００℃以上で酸化して基材表面に酸化物層を形成してもよく、こうして合金の耐食性を向上させ、金属表面に対するウォッシュコート層の接着を容易にする。基材を構成するのに用いるセラミック材料としては、任意の好適な耐火材料があり、例えば、コーディエライト、ムライト、コーディエライト−αアルミナ、窒化ケイ素、ジルコンムライト、リシア輝石（スポジュメン）、アルミナ−シリカ・マグネシア、ジルコン・シリケート、ケイ線石（シリマナイト）、ケイ酸マグネシウム、ジルコン、葉長石（ペタル石）、αアルミナ、アルミノケイ酸塩等が挙げられる。

基材として任意の適切なものを用いることができ、例えば、基材の入口から出口面まで延在する微細で平行なガス流路を複数有するモノリシックフロースルー基材であって、流体の流れがその流路を通って流れるようになっている基材を用いることができる。その通路は、入口から出口まで本質的に直線路であって、触媒材料がウォッシュコートとして被覆されている壁によって画定される。その結果、通路に沿って流れるガスがその触媒材料と接触する。モノリシック基材の流路は、断面形状を台形、長方形、正方形、正弦波状、六角形、楕円形、円形などの任意の適切な形状とすることができる薄壁チャネルである。当該構造体は、断面の平方インチ当たり約６０〜約１２００（ｃｐｓｉ）又はそれ以上のガス入口開口部（すなわち、「セル（cells）」）を有し、より一般的には約３００〜６００ｃｐｓｉのガス入口開口部を有することができる。フロースルー基材の壁厚は様々であり、典型的な範囲は０．００２〜０．１インチである。市販のフロースルー基材の代表的なものは、４００ｃｐｓｉ、及び６ミル（mil）の壁厚、又は６００ｃｐｓｉ、及び４ミルの壁厚を有するコーディエライト基材である。しかし、本開示は，特定の、基材の型式、材質、又は幾何学的形状に限定されないものと理解される。

別の実施形態では、基材がウォールフロー基材であってもよい。ウォールフロー基材は、基材本体の一方の端部で各通路が非多孔質プラグで塞がれ、反対側の端面で通路が交互に塞がれている。これは、ガス流がウォールフロー基材の多孔質壁を通って出口に到達することを必要とする。このようなモノリシック基材は、約７００ｃｐｓｉ又はそれ以上まで有することができ、例えば、約１００〜４００ｃｐｓｉ、より典型的には約２００〜約３００ｃｐｓｉを有することができる。セルの断面形状は上述のとおり様々であってよい。ウォールフロー基材は、典型的には０．００２〜０．１インチの壁厚を有する。代表的な市販のウォールフロー基材は多孔質コーディエライトから構成され、その一具体例は、２００ｃｐｓｉと壁厚１０ミル、又は３００ｃｐｓｉと壁厚８ミルとを有し、壁の気孔率は４５〜６５％である。アルミニウム−チタン酸塩、炭化ケイ素及び窒化ケイ素のような他のセラミック材料もウォールフローフィルタ基材に使用することができる。しかし、本開示は，特定の、基材の型式、材質、又は幾何学的形状に限定されないものと理解される。基材がウォールフロー基材である場合には、触媒組成物が、壁の表面上に配置されることに加えて、多孔質壁の細孔構造内に浸透する（すなわち、細孔開口を部分的又は完全に閉塞する）ことができることに留意されたい。

図２は、本明細書に記載の触媒組成物で被覆されたハニカムモノリスの形態をなす例示的な基材２を示す。この例示的な基材２は、円筒形の形状であって、円筒形の外表面４と、上流端面６と、対応する下流端面８とを有する。下流端面は端面６と同一である。基材２は、その中に形成された複数の微細で平行なガス流路１０を有する。フロースルーモノリスの場合、典型的には、流体（例えば、ガス流）がガス流路１０を介して担体２の長手方向に流れるように、通路１０は塞がれていない。あるいは別の態様では、基材２が上で詳細に論じたようなウォールフローフィルタの形態をとることもできる。そのような実施形態では、各ガス流路１０は、入口端又は出口端のいずれかで閉塞されているが、流路の壁は多孔質であり、当技術分野で理解されるように、ガスが一方のガス流路から隣接するガス流路に移動することを可能にする。触媒組成物は、所望であれば、複数の別個の層として塗布することができる。本開示は、１層以上（例えば、２、３又は４層）のウォッシュコート層とすることで実施できる。

一つ以上の実施形態の触媒を基材に被覆するために、基材を垂直方向に触媒スラリーの一部に浸漬し、基材の最上部が触媒スラリー表面の真上に位置するようにする。このようにして、スラリーは各ハニカム壁の入口面に接触するが、スラリーが各壁の出口面に接触することが防止されることになる。基材を約３０秒間スラリー中に放置する。そして、基材をスラリーから取り出す。次いで、基材から過剰なスラリーを除去する。これは、最初に、スラリーをチャネルから排出させ、次いで、（スラリー浸透とは逆方向に）圧縮空気を吹き付け、次に、スラリー浸透の方向から真空で引くことによって行う。この技術を使用することにより、ウォールフロー基材の場合、触媒スラリーが基材の壁に浸透するが、過度の背圧が完成基材に蓄積する程度まで細孔が閉塞されることはない。本明細書で使用する用語「浸透」は、基材上への触媒スラリーの分散を説明するのに使用する場合、触媒組成物が基材の壁全体に分散し、したがって壁の細孔を少なくとも部分的に閉塞することを意味する。

被覆した基材は、典型的には約１００℃で乾燥させ、それより高い温度（例えば、３００〜４５０℃）で仮焼する。仮焼の後、被覆した後の基材の質量及び被覆する前の基材の質量を用いる計算によって触媒装填量を決定することができる。当業者には明らかであるように、被覆するスラリーの固形分含量を変えることによって、触媒装填量を変更することができる。また、別法としては、基材を被覆用スラリー中に繰り返し浸漬した後、上記のように過剰のスラリーを除去することもできる。

以下の実施例を用いることにより、本開示の実施形態について、さらに説明する。この実施例は、本開示の主題を説明するために記載するものであって、限定するものと解釈されるべきではない。

実施例１−ＯＳＣ材料の調製
比較用材料（比較用ＯＳＣ−１）を次のように調製した。硝酸セリウム（６９ｇ）、硝酸ジルコニウム（１２７ｇ）、硝酸ランタン（９．３７ｇ）及び硝酸イットリウム（８．４８ｇ）を水３００ｍｌに溶解した。この混合溶液に水酸化ナトリウムを添加してｐＨを約９に上昇させ、全ての成分を一緒に共沈させた。共沈物をろ過し、脱イオン水で洗浄して濾過ケークを得、これを１１０℃で乾燥し、５５０℃で２時間仮焼した。次いで、仮焼した材料に硝酸パラジウム溶液を含浸させた。得られた比較用ＯＳＣ−１は、４６．１質量％のＺｒＯ_２、３５．５質量％のＣｅＯ_２、４．９質量％のＬａ_２Ｏ_３、４．６質量％のＹ_２Ｏ_３、及び０．５質量％のＰｄの組成を有していた。

本発明に係る複合ＯＳＣ（本発明ＯＳＣ−２）は以下のようにして調製した。硝酸セリウム（６９ｇ）、硝酸ジルコニウム（１２７ｇ）、硝酸ランタン（９．３７ｇ）及び硝酸イットリウム（８．４８ｇ）を水３００ｍｌに溶解し、硝酸パラジウム溶液（２５．９質量％Ｐｄ）と混合した。この混合溶液に水酸化ナトリウムを添加してｐＨを約９に上昇させ、全ての成分を一緒に共沈させた。共沈物を濾過し、脱イオン水で洗浄して濾過ケークを得、これを１１０℃で乾燥し、５５０℃で２時間仮焼した。 得られた本発明ＯＳＣ−２は、４８．９質量％のＺｒＯ_２、３７．１質量％のＣｅＯ_２、５．３２質量％のＬａ_２Ｏ_３、４．７質量％のＹ_２Ｏ_３、及び０．５質量％のＰｄの組成を有していた。

比較用ＯＳＣ−１及び本発明ＯＳＣ−２を１０％蒸気及び９０％空気中で、１０５０℃で１２時間エージングさせた。次いで、エージングした材料を試験に供した。

実施例２−ＯＳＣ材料のＴＰＲ試験
エージングした、比較用ＯＳＣ−１材料及び本発明のＯＳＣ−２材料を、昇温還元（Thermal Program Reduction）試験に供した。試験を行うために、最初に、触媒を完全に酸化させた。その後、５０ｍｇの触媒をＴＰＲセルに導入し、そこで窒素中１質量％水素の流れを触媒上に導き通過させた。次いで、温度を室温から９００℃まで２０℃／分の速度で昇温した。結果を図３に示す。ＴＰＲ中のＨ_２消費量について、熱伝導率検出器（Thermal Conductivity Detector）を用いて測定し、任意単位（ａ．ｕ．）として測定した。各ピーク下の面積を触媒１グラム当たりのＨ_２のｍｌ又はｃｃとして与えられる水素消費量に変換する。温度の関数としてのＨ_２消費量の分布を表１に示す。Ｈ_２総消費量は、比較用ＯＳＣ−１については４．９１３ｃｍ^３／ｇであり、本発明ＯＳＣ−２については６．３０３ｃｍ^３／ｇであった。本発明のＯＳＣ−２は還元温度がより低い点で有利であった。具体的には、本発明のＯＳＣ−２は、比較用ＯＳＣ−１より約５０℃低い還元温度を有していた。これは、本発明のＯＳＣ−２ではＰｄがＣｅＯ_２に近接しているためである。このより低い温度については、「酸素移動度」が改善したことに照らして、著しく、より一層有効なＯＳＣ材料であると解釈することができる。ＯＳＣ材料中の酸素移動がより速いことにより、過渡運転中、ＮＯｘの高還元量を実現することができる。

実施例３−ＯＳＣ材料のＸＰＳ試験
エージングした、比較用ＯＳＣ−１及び本発明のＯＳＣ−２材料をＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）試験に供してこの２つの材料の界面化学的特性について評価した。ＸＰＳデータ要約を表２に示す（値はＯＳＣの総質量に対する質量パーセントで示す）。本書に示すように、この２つの材料は各々０．５質量％のＰｄを含むが、本発明のＯＳＣ−２材料はＰｄの表面濃度（［Ｐｄ^＋２］＋［Ｐｄ^＋４］）が著しく高く、比較用ＯＳＣ−１材料はＰｄ表面濃度が０．３８であり、本発明のＯＳＣ−２材料はＰｄ表面濃度が０．７８であった。さらに、比較用ＯＳＣ−１材料のＣｅ表面濃度は、本発明ＯＳＣ−２試料のＣｅ表面濃度が７．１であるのに対して、僅か４．１であった。比較用ＯＳＣ−１試料と比較して、本発明のＯＳＣ−２試料中のＰｄ及びＣｅ表面濃度はより高く、これが酸素移動度を改善するものと考えられる。

実施例４−ＯＳＣ材料の調製
次の組成：４０質量％のＣｅＯ_２、５０質量％のＺｒＯ_２、５質量％のＬａ_２Ｏ_３、及び５質量％のＹ_２Ｏ_３を有する市販ＯＳＣ材料にパラジウムを含浸させることによって、比較用材料（比較用ＯＳＣ−３）を調製した。具体的には、溶液滴下含浸法（incipient wetness impregnation process）で硝酸パラジウム（２７質量％のＰｄ）の溶液を用い、十分な溶液を市販ＯＳＣに加えて、材料（比較用ＯＳＣ−３）が、５５０℃で２時間仮焼した後、０．５質量％のＰｄ濃度を有するようにした。次いで、比較用ＯＳＣ−３材料を１０％蒸気及び９０％空気中で、１０５０℃で１２時間エージングさせた。

次の組成：６４質量％のＣｅＯ_２、２１質量％のＺｒＯ_２、２質量％のＬａ_２Ｏ_３、５．２質量％のＮｄ_２Ｏ_３、及び８質量％のＹ_２Ｏ_３を有する市販ＯＳＣ材料にパラジウムを含浸させることによって、比較用材料（比較用ＯＳＣ−４）を調製した。具体的には、溶液滴下含浸法（incipient wetness impregnation process）で硝酸パラジウム（２７質量％のＰｄ）の溶液を用い、十分な溶液を市販ＯＳＣに加えて、材料（比較用ＯＳＣ−４）が、５５０℃で２時間仮焼した後、０．５質量％のＰｄ濃度を有するようにした。次いで、比較用ＯＳＣ−４を１０％蒸気及び９０％空気中で、１０５０℃で１２時間エージングさせた。

本発明に係る複合ＯＳＣ（本発明ＯＳＣ−５）は以下のようにして調製した。硝酸セリウム（３４ｇ）を水３００ｍｌに溶解し、０．９２ｇの硝酸パラジウム溶液（２７質量％Ｐｄ）を添加した。形成された溶液を実施例１に記載の比較用ＯＳＣ−１（４０ｇ）に添加した。その後、合わせた溶液に水酸化ナトリウムを添加してｐＨを約９に上昇させ、パラジウム及びセリウムをＯＳＣ−１材料上に共沈させた。このＯＳＣ−１上の共沈物を濾過し、脱イオン水で洗浄して濾過ケークを得、これを１００℃で乾燥させ、５５０℃で２時間仮焼した。得られた本発明のＯＳＣ−５は、以下の組成を有していた。すなわち、３５〜３７質量％のＺｒＯ_２、５５〜５８質量％のＣｅＯ_２、約４質量％のＬａ_２Ｏ_３、約４質量％のＹ_２Ｏ_３、及び０．５質量％のＰｄであった。本発明のＯＳＣ−５を１０％蒸気及び９０％空気中で、１０５０℃で１２時間エージングさせた。

実施例５−ＯＳＣ材料のＴＰＲ試験
エージングした、比較用ＯＳＣ−３材料、比較用ＯＳＣ−５及び本発明のＯＳＣ−５材料を、昇温還元（Thermal Program Reduction）試験に供した。試験を行うために、最初に、触媒を完全に酸化させた。その後、５０ｍｇの触媒をＴＰＲセルに導入し、そこで窒素中１質量％水素の流れを触媒上に導き通過させた。次いで、温度を室温から９００℃まで２０℃／分の速度で昇温した。結果を図４に示す。温度の関数としてＨ_２消費量分布を図４に示す。Ｈ_２総消費量を表３に示す。

実施例６−ＯＳＣ材料のＸＰＳ試験
エージングした、比較用ＯＳＣ−３、比較用ＯＳＣ−４、及び本発明のＯＳＣ−５材料をＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）試験に供してこの２つの材料の界面化学的特性について評価した。比較用ＯＳＣ−３及び本発明ＯＳＣ−５のＸＰＳデータ要約を表４に示す。本書に示すように、この２つの材料は各々０．５質量％のＰｄを含むが、本発明のＯＳＣ−２材料はＰｄの表面濃度（［Ｐｄ^＋２］＋［Ｐｄ^＋４］）が著しく高く、比較用ＯＳＣ−１材料はＰｄ表面濃度が０．３８であり、本発明のＯＳＣ−２材料はＰｄ表面濃度が０．７８であった。さらに、比較用ＯＳＣ−１材料のＣｅ表面濃度は、本発明ＯＳＣ−２試料のＣｅ表面濃度が７．１であるのに対して、僅か４．１であった。比較用ＯＳＣ−１試料と比較して、本発明のＯＳＣ−２試料中のＰｄ及びＣｅ表面濃度はより高く、これが酸素移動度を改善するものと考えられる。

実施例７−比較用ＯＳＣ材料の調製
比較例（比較用ＯＳＣ−６）として、ＯＳＣウォッシュコートを調製した。以下の工程に従って、第１の量の市販ガンマ−アルミナ（アルミナ−Ａ）にＰｄを含浸させ、第１のスラリーを調製した。そのアルミナを硝酸パラジウム溶液（Ｐｄ濃度２５．９質量％）と混合し、１１０℃で乾燥させ５５０℃で２時間仮焼してアルミナ上にＰｄを固定した。仮焼した、アルミナ上のパラジウムを酢酸バリウム含有の水に硝酸Ｌａ及びＺｒの半分と共に加えてスラリーを形成した。スラリーのｐＨを、硝酸（水で１：１に希釈）を用いて４．５に調整した。この材料を水平アイガー（Ｅｉｇｅｒ）ミルを用いて、１２〜１４μｍの範囲に９０％の粒度分布に連続的に粉砕した。

残りの硝酸Ｌａ及びＺｒを脱イオン水に混合し、このｐＨを約４〜５に調整することによって、第２のスラリーを調製した。スラリーにアルミナ−Ｂ（Ｐｄなし）を添加し、水平アイガーミルを用いて１１〜１３μｍの範囲に９０％の粒度分布に粉砕した。第１のスラリーと第２のスラリーを合わせ、ｐＨを約４〜５に調整してウォッシュコートを形成した。このウォッシュコートを下記の寸法を有するコーディエライト基材上に塗布した。この基材は、３．６６インチ×１．５インチ、６００ｃｐｓｉ、及び壁厚４ミリメートルを有していた。塗布したウォッシュコートを乾燥させ、次いで５５０℃で２時間仮焼した。最終ウォッシュコート充填組成は以下のとおりであった。すなわち、Ｐｄ＝０．０５２ｇ／ｉｎ^３；Ｐｄ／Ａｌ_２Ｏ_３−Ａ＝１ｇ／ｉｎ^３；Ａｌ_２Ｏ_３−Ｂ＝１．８ｇ／ｉｎ^３；Ｌａ_２Ｏ_３（硝酸塩として）＝０．０６ｇ／ｉｎ^３；ＺｒＯ_２（硝酸塩として）＝０．０３ｇ／ｉｎ^３；ＢａＯ（ＢａＯＡｃとして）＝０．０６ｇ／ｉｎ^３であった。このようにして形成された材料からコア（１インチ×１．５インチ）を取り出し、１０％蒸気９０％空気中、１０５０℃で１２時間エージングさせた。エージングした試料について、ライトオフ（light off）用実験反応器で評価した。

実施例８−本発明ＯＳＣの調製
Ｐｄ及び硝酸セリウム溶液（対応するＰｄ及びＣｅＯ_２濃度が２５．９及び２０質量％）を使用した。１１０℃で乾燥し、５５０℃で２時間仮焼することにより、共含浸Ｐｄ及びＣｅＯ_２をアルミナ表面に固定した。蒸留水と硝酸バリウムを混合し、Ｐｄ−Ｃｅ／Ａｌ_２Ｏ_３を添加し、硝酸Ｌａ及びＺｒの半分を添加することによってスラリーを調製した。硝酸（水で１：１に希釈）を用いてｐＨを４．５に調整した。この材料を、水平アイガーミルを用いて１２〜１４μｍの範囲に９０％の粒度分布に連続的に粉砕した。

残りの硝酸Ｌａ及びＺｒを脱イオン水に混合し、ｐＨを約４〜５に調整することによって、第２のスラリーを調製した。そのスラリーにアルミナ−Ｂ（Ｐｄなし）を添加し、水平アイガーミルを用いて１１〜１３μｍの範囲に９０％の粒度分布に粉砕した。第１のスラリーと第２のスラリーを合わせ、ｐＨを約４〜５に調整してウォッシュコートを形成した。このウォッシュコートを下記の寸法を有するコーディエライト基材上に塗布した。この基材は、３．６６インチ×１．５インチ、６００ｃｐｓｉ、及び壁厚４ミリメートルを有していた。塗布したウォッシュコートを乾燥させ、次いで５５０℃で２時間仮焼した。最終ウォッシュコート充填組成は以下のとおりであった。すなわち、Ｐｄ＝０．０５２ｇ／ｉｎ^３；Ｐｄ−Ｃｅ／Ａｌ_２Ｏ_３−Ａ＝１ｇ／ｉｎ^３；Ａｌ_２Ｏ_３−Ｂ＝１．８ｇ／ｉｎ^３；Ｌａ_２Ｏ_３（硝酸塩として）＝０．０６ｇ／ｉｎ^３；ＺｒＯ_２（硝酸塩として）＝０．０３ｇ／ｉｎ^３；ＢａＯ（ＢａＯＡｃとして）＝０．０６ｇ／ｉｎ^３であった。このようにして形成された材料からコア（１インチ×１．５インチ）を取り出し、１０％蒸気９０％空気中、１０５０℃で１２時間エージングさせた。エージングした試料について、ライトオフ用実験反応器で評価した。

実施例９−ライトオフ試験
試験条件を記載すること。リーン／リッチ・エージング後の残留、炭化水素、ＣＯ及びＮＯｘの割合（パーセント）についての試験結果を表５に示す。その表に見られるように、本発明のＯＳＣ−７のウォッシュコートは、比較用ＯＳＣ−６のウォッシュコートと比較して残留物が少なく、ＰｄとＣｅＯ_２とを共含浸させたことがその性能を顕著に改善したことを示している。

本明細書に記載した発明に関する、多くの変更及びその他の実施形態が、前述の説明に提示した教示の利益を有する発明に関係する当業者に思い浮かぶものと思われる。したがって、本発明は、開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、修正例及びその他の実施形態も、添付の特許請求の範囲内に含まれることが意図されているものと理解されたい。本明細書では特有の用語を使用しているが、一般的かつ説明的な意図でのみ使用するものであって、限定する目的で使用するものではない。

２ 基材
４ 外表面
５ 固溶体
６ 上流端面
７ 担体部材
８ 下流端面
１０ ガス流路

Claims (22)

1. 固溶体の形態で少なくとも１種の白金族金属及び少なくとも１種の希土類金属酸化物を含むことを特徴とする複合材料。
2. 白金族金属がパラジウムである請求項１に記載の複合材料。
3. 希土類金属酸化物がセリアを含む請求項１に記載の複合材料。
4. 複合材料が、更に、ジルコニアを含む請求項１に記載の複合材料。
5. 複合材料が、更に、１種以上の、ランタン、イットリウム、ネオジム、ガドリニウム、又はプラセオジムの酸化物を含む請求項１に記載の複合材料。
6. 複合材料が、更に、１種以上の、ニオブ、鉄、ニッケル、銀、コバルト、マンガン、銅、及びタングステンの酸化物を含む請求項１に記載の複合材料。
7. 更に、固溶体を担持する担体材料を含む請求項１に記載の複合材料。
8. 担体材料がアルミナを含む請求項７に記載の複合材料。
9. 担体材料が酸素貯蔵成分を含む請求項７に記載の複合材料。
10. 少なくとも１種の白金族金属と少なくとも１種の希土類金属との固溶体が担体材料に含浸されている請求項７に記載の複合材料。
11. 固溶体が、少なくとも１種の白金族金属と少なくとも１種の希土類金属酸化物との共沈物を含む請求項１に記載の複合材料。
12. 複合材料が、固溶体の一部ではない少なくとも１種の更なる白金族金属を含む請求項１に記載の複合材料。
13. 複合材料は、固溶体の一部ではない少なくとも１種の更なる希土類金属酸化物を含む請求項１に記載の複合材料。
14. 請求項１〜１３のいずれか一項に記載の複合材料を含有する酸素貯蔵成分を含むことを特徴とする三元触媒組成物。
15. 複合酸素貯蔵成分を製造する方法であって、白金族金属の化合物と希土類金属の化合物とを混合して液体溶液を形成すること、及び、液体溶液から白金族金属及び希土類金属を共沈させて白金族金属と希土類金属との固溶体を形成することを含むことを特徴とする方法。
16. 白金族金属及び希土類金属を担体材料の表面上に共沈させる請求項１５に記載の方法。
17. 白金族金属と希土類金属との固溶体を担体材料に含浸させる請求項１５に記載の方法。
18. 担体材料がアルミナを含む請求項１６又は１７に記載の方法。
19. 担体材料が酸素貯蔵成分を含む請求項１６又は１７に記載の方法。
20. 共沈が、液体溶液のｐＨを約８以上に上昇させるのに十分な量のアルカリ化物質を添加することを含む請求項１５に記載の方法。
21. 白金族金属と希土類金属との固溶体を洗浄し濾過して濾過ケークを形成することを含む請求項１５に記載の方法。
22. 濾過ケークを約３００℃以上の温度で約１０分以上の時間にわたって仮焼することを含む請求項２１に記載の方法。

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