成果報告書詳細
管理番号20150000000371
タイトル平成21年度ー平成25年度成果報告書 希少金属代替材料開発プロジェクト 排ガス浄化向け白金族使用量低減技術開発及び代替材料開発 ディーゼル排ガス浄化触媒の白金族使用量低減化技術の開発
公開日2017/1/20
報告書年度2009 - 2013
委託先名独立行政法人産業技術総合研究所 三井金属鉱業株式会社 水澤化学工業株式会社 国立大学法人名古屋工業大学 国立大学法人九州大学
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
和文要約件名:平成21年度ー平成25年度成果報告書 希少金属代替材料開発プロジェクト 排ガス浄化向け白金族使用量低減技術開発及び代替材料開発 ディーゼル排ガス浄化触媒の白金族使用量低減化技術の開発
大型ディーゼル車排ガス浄化触媒システムのディーゼル酸化触媒とDPF用触媒を対象とし、その白金族使用量を50%以上低減する基盤技術及び製造技術の開発を行った。
 研究開発項目「(1)白金族使用量を低減したディーゼル酸化触媒の開発」では、まず「触媒活性種の探索と高度設計」を検討し、担持Ptの分散度と電子状態が活性に大きく影響することを見出すとともに、PtPdの複合化、酸性酸化物の添加が触媒性能向上に有効であることを明らかにした。「触媒種複合化技術の開発」では、高い酸化活性を有するPtCe複合ナノ粒子の調製と耐熱性に優れた白金-アルミナクリオゲル触媒の調製に成功した。「担体の設計と高度化」では、担体の細孔と組成の制御による高度化を検討し、アルミナが最適担体であり、適切な第2成分の添加と細孔径制御により性能が向上することを見出した。また、担体にマクロ孔を付加することで燃料ミスト酸化活性が向上した。さらに、数値流体力学によるシミュレーションにより2種の異なった拡散孔を有する担体の利点を確認した。「要素技術統合による実用候補触媒の抽出」では、アルミナ系担体の製造条件を確立し、担体パイロット製造装置を完成した。また、開発した各要素技術を組み込んだ開発触媒を調製し、活性のラボレベルでの共通評価試験を行った。その結果、いくつかの触媒が、白金族使用量を40%低減しつつ市販触媒と同等の性能をクリアし、中間目標を達成した。
 研究開発項目「(2)白金族代替DPF用触媒の開発」では、Ptを代替するAg系触媒の開発改良を行った。触媒の耐熱性向上については、Pr、Nd、Al酸化物の添加が効果を示し、また、Pdを複合した触媒が高温耐久後もAg触媒の優れたPM燃焼性を維持しつつ高いHC/CO酸化性能を示すことが明らかとなり、本項目でも中間目標を達成した。さらに、PM燃焼に活性なAgは微細なナノ粒子であることを解明するとともに、スス燃焼の活性酸素を評価するNH3-TPR法を新たに提案した。
 研究開発項目「(3)触媒の部材化技術とシステム構築」では、ハニカム触媒へのコート技術の高度化を検討した。酸化触媒では、入口側に高濃度のPtPdを配置し、マクロ孔を付加することにより効率的に軽油成分を燃焼させることが可能となった。また、DPF用触媒では、入口側にAgPd触媒、出口側にPtPd触媒を配置することが重要であることがわかった。以上の要素技術を用いて白金族使用量を50%低減した開発品を作成し実ガスで評価したところ、HC/CO酸化性能は市販品と同等であったが、スス燃焼性能は若干改良が必要であった。
 研究開発項目「(4)実用触媒製造技術の確立」では、「触媒の実用性改良」において、酸化触媒のPtPd活性種の担持方法の高度化を検討した。その結果、ポリオールを用いて還元を行い担体上に白金族ナノ粒子を析出させる表面ポリオール還元法、及び、調製時に高級有機酸を添加する白金族ナノ粒子触媒の新調製法の開発に成功した。これらの新規調製技術により作成した酸化触媒は高い酸化活性と耐熱性を示し、実用触媒候補として選定した。「実用化触媒製造技術の開発」においては、触媒担体としてSi-Al2O3及びZr-Al2O3を選定して組成と細孔径の最適化を行い、パイロット製造装置に適用して実機評価用触媒担体を提供した。最終的に、これまでに開発した要素技術を総合して実機評価用酸化触媒とDPFを試作した。「触媒商品化技術の開発」では、白金族使用量を50%低減した開発品試作触媒を、大型ディーゼル車の測定モードで評価した。その結果、酸化触媒では市販品と同等の酸化性能が得られ、また、DPFの燃焼速度は市販品に対して2倍となり、本プロジェクトの最終目標を達成した。
英文要約Title : Rare Metal Substitute Materials Development Project. Minimization of Platinum Group Metals in Automotive Diesel Exhaust Catalyst. Development of Technology for Reducing PGMs Usage in Automotive Diesel Exhaust Catalyst (FY2009-FY2013) Final Report

This research and development project aims at developing innovative high performance exhaust catalysts that accomplish 50% reduction of PGMs for heavy-duty diesel vehicles. (1) Development of diesel oxidation catalyst (DOC): In the screening and advanced design of catalytic active species, it was found that Pt dispersion and electronic state are essential factors and that combination of PtPd and addition of acidic oxides enhanced the activity of DOC. In the development of composite catalysts, PtCe nanoparticles could be successfully prepared as well as Pt-alumina cryogel catalysts having superior heat resistance. In the advanced design of catalyst support, preparation methods of supports with controlled pore structure and secondary components were developed. Alumina was the best support. Fuel mist oxidation activity was improved by forming macropores in the support. Computational simulation suggested that catalyst support with both macropores and mesopores has a great advantage. In the selection of candidate catalysts, preparation conditions of alumina support were determined and a pilot-scale manufacturing plant was constructed. Then, DOCs with 40% less PGMs were prepared based on the developed technologies, several of which showed equivalent performance to the commercial catalyst. (2) Development of catalyzed diesel particulate filter (CDPF): Ag-based DPF catalysts were developed. The addition of Pr, Nd, and Al was effective to improve the heat-resistance of Ag. AgPd alloy catalyst exhibited higher activity for HC/CO oxidation than the commercial Pt catalyst after aging, while maintaining high PM combustion performance. Catalyst characterizations revealed that Ag nanoparticles were the active species. A new NH3-TPR method was proposed to analyze active oxygen species for PM oxidation. (3) Development of catalyst manufacturing technologies and system development: The efficiency of DOC was further improved by placing highly-concentrated PtPd catalyst in the gas inlet side and by forming macropores in the catalyst layer. For CDPF, a layout of inlet AgPd and outlet PtPd was found very important. The developed catalysts with 50% less PGMs showed equivalent HC/CO oxidation activity to the commercial catalyst, although improvement of PM combustion performance was necessary. (4) Establishment of practical catalyst production technology: Two innovative catalyst preparation methods of DOC (Surface polyol reduction technique and higher fatty acid addition technique) to form fine PGM nanoparticles were successfully developed. The DOCs prepared by using these methods showed excellent oxidation performance. As catalyst support, Si-Al2O3 and Zr-Al2O3 were provided for practical use after optimization of chemical compositions and pore sizes. Finally, honeycomb-form real-scale DOC and DPF catalysts with 50% less PGMs were prepared and evaluated in the diesel transition mode. The oxidation performance of the DOC was equal to, and the PM combustion rate of the DPF was twice higher than that of the commercial catalyst.
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