成果報告書詳細
管理番号20120000001165
タイトル平成22年度~平成23年度成果報告書 希少金属代替材料開発プロジェクト/排ガス浄化向けセリウム使用量低減技術及び代替材料開発/高次構造制御による酸化セリウム機能向上技術および代替材料技術を活用したセリウム使用量低減技術開発
公開日2012/12/4
報告書年度2010-2011
委託先名国立大学法人東北大学 国立大学法人名古屋大学 国立大学法人熊本大学 国立大学法人北海道大学 宮城県産業技術総合センター 株式会社本田技術研究所 株式会社ルネッサンス・エナジー・リサーチ 第一稀元素化学工業株式会社
プロジェクト番号P08023
部署名電子・材料・ナノテクノロジー部
和文要約1.達成状況
 理論計算で裏付けられた酸化セリウム(CeO2, 以下セリアと表記)の優れた酸素吸蔵能と貴金属触媒安定化機能の原理に基づき、セリアのもつポテンシャルを最大限に引き出した新材料の開発、そして現状セリアと同等機能を有する代替材料の開発を行った。具体的な技術項目として、(1)理論シミュレーションによる材料設計指針、(2)形態制御による高性能化、(3)非セリア系材料開発、(4)サンプル性能評価、(5)開発材料の量産化の5つの項目について研究を推進した。開発した材料は、各研究室での予備評価(地区予選)、模擬ガスによる単体評価(国内予選)、実車での性能評価(世界大会)の3段階の評価により、選抜を行った。産総研における単体評価は156サンプルにのぼる。その結果、単体評価からはドープ材によるCeO2改良材において低温域でのNOx浄化活性に効果があることを確認した。さらに、非CeO2材であるペロブスカイト系でも同様に低温域でのNOx浄化活性に効果があることを確認した。さらに、実車評価の結果からは、本プロジェクトの成果として見出された各種のプロモーターをセリアに添加したWC-04、WC-07およびWC-08がCeO2を30%減らしているにも拘らず基準触媒に同等以上あるいは近い性能を持つことが確認された(詳細は開発項目2-5-3を参照のこと)。さらなる低温浄化活性、A/F変動タフネス、SVタフネスの改善、および熱以外の耐久劣化課題を確認・克服すれば基準触媒を超える触媒となる可能性があり、本プロジェクトにおける提案材料が目標としたセリア30%削減技術の方向性を示すものであることを証明した。さらに、今回は実車評価まで至っていないが、ペロブスカイト材料でも十分に高いNOx浄化活性を単体評価で確認しており、実車での触媒活性にも期待が持てる。短期間の開発ながら、事業目的である(1)新材料・代替材料の開発、(2)新規材料に最適な大量合成技術の開発、(3)自動車実排ガステストによる耐久性評価、(4)セリア使用量を30%以上削減する技術の確立を実施し、さらに実車評価までの結果を踏まえて目標を実現しうる複数の候補材料を見出すことができ、十分にプロジェクト目標を達成した。
2.今後の展開
 本プロジェクトではTWC単体評価(国内予選)だけでも156ものサンプルについて熱耐久試験と活性評価を実施した。その中で8サンプルについてはセラミックス製ハニカムにコートして量産触媒と同等の状態で実車評価を実施し、セリア使用量30%削減触媒の実用化指針を得ることができた。さらに、裾野の広い材料探索に立脚した材料開発が行われた結果、実車試験に至らなかった中にも今後の研究継続により実用触媒材料への可能性が開かれるであろう有望な材料を見いだした。限られた研究期間の中で、材料の基礎研究から開始して極めてスピーディーに実車評価にまで至ることが出来た。しかしながら、自動車触媒は長期間(10年以上)過酷な状況で使用されるため市場投入のためには高い安定性と信頼性が求められる。実用化に向けてはさらなる低温浄化活性、A/F変動タフネス、SVタフネスの特性改善、および熱以外の耐久劣化などさらに確認・克服すべき課題も明らかとなった。さらに商品化に向けてはエンジン制御を含めたシステムの設計、実車開発などの課題もある。本プロジェクトの成果の強みは複数の材料を幅広く提案できたことであり、これらの知見・技術を複合化して実用を目指した課題解決を進めていくことが期待される。
英文要約Based on the theoretical calculations of cerium oxide (CeO2, referred to as ceria), we have developed improved ceria-based materials or alternative materials having higher or comparable oxygen storage capacity and stability of supported noble metal particles than ceria in the present research project. There are five specific subjects in this project as follows: (1) suggestion of a guideline for material design by theoretical simulations, (2) improvement of ceria-based materials by morphology control, (3) material development by non-ceria-based materials, (4) performance evaluation of obtained novel materials, and (5) development of mass production of obtained novel materials. The newly developed materials were evaluated by three-stages, (1) preliminary evaluation of OSC and surface area (division contest), (2) evaluation of TWC performance of Rh supported catalyst using model gas
(nationwide contest), (3) evaluation of TWC performance of monolith coated catalyst using real automobile exhaust (World contest). Up to 156 samples were tested in AIST for the evaluation of TWC performance of Rh supported catalyst using model gas (nationwide contest).
As a result of TWC testing using model gas, the doping of Ca and Mn into CeO2 improved NOx reduction activity at lower temperatures. The non-ceria-based perovskite material is also confirmed to be effective in NOx reduction at low temperatures. Furthermore, through TWC testing of monolith coated catalyst using real automobile exhaust, CeO2 containing promoter B(WC-04), promoter E(WC-07) and promoter F(WC-08)with more than 30% ceria reduction showed comparable or higher catalytic performance than the reference catalyst. After confirmation and improvement of TWC activity at lower temperatures, A/F perturbation, higher SV ratio, and durability other than higher temperatures, the developed materials have potentials to be components for a TWC catalysts having higher activity than the reference catalyst. Therefore, we proposed that the developed materials in this research project gives strategy of the 30% reduction of ceria in TWC catalysts. In addition, we confirmed the sufficient NOx reduction activity of the perovskite materials, such as BaSrFeCoO3 and BaZrCeO3. The high potential of these materials as TWC components is expected, though these materials are not yet tested using real automobile exhaust. In spite of very short research period, we achieved (1) development of novel materials and alternative materials, (2) development of the technology for large-scale preparation, (3) evaluation of durability using real automobile exhaust, (4) established the strategy for more than 30% reduction of ceria usages in TWC, and proposed several candidates base on the TWC performance of monolith coated catalyst using real automobile exhaust. The project objectives were fully achieved.
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