JP5825439B2 - 排ガス浄化用触媒及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、排ガス浄化用触媒及びその製造方法、より詳しくは金とコバルトからなる二元金属粒子を含む排ガス浄化用触媒及びその製造方法に関する。

ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の自動車の内燃機関から排出される排ガス中には、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）等の有害成分が含まれている。このため、一般的には、車両にこれらの有害成分を分解除去するための排ガス浄化装置が設けられており、当該排ガス浄化装置内に配備された排ガス浄化用触媒によってこれらの有害成分が無害化されている。従来、このような排ガス浄化用触媒としては、排ガス中のＣＯ及びＨＣの酸化とＮＯｘの還元とを同時に行う三元触媒が用いられており、具体的には、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）等の多孔質酸化物担体に、貴金属、特には白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）等の白金族元素を担持させたものが広く知られている。

しかしながら、これらの白金族元素は、産出される地域が少なく、その産出が南アフリカやロシア等の特定の地域に偏っていることから、非常に高価な希少金属である。また、これらの白金族元素は、自動車の排ガス規制の強化とともに使用量が増加しており、それゆえ資源の枯渇が懸念されている。このため、白金族元素の使用量を減らすとともに、将来的には、当該白金族元素の役割を他の金属等で代替することが必要とされている。そこで、白金族元素の使用量を減らすための又はそれに代わる触媒成分について多くの研究が行われている。

特開２００５−１８５９５９号公報では、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ及びＡｕから選ばれる少なくとも一種以上の貴金属Ａと、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＺｎから選ばれる少なくとも一種以上の遷移金属化合物Ｂとを同一多孔質担体上に担持してなり、一部又は全ての前記貴金属Ａと前記遷移金属化合物Ｂとが複合物を形成していることを特徴とする排ガス浄化用触媒が記載されている。また、特開２００５−１８５９５９号公報では、貴金属Ａと遷移金属化合物Ｂの複合物として、例えば、ＰｔとＣｏの組み合わせが具体的に開示されている。さらに、特開２００５−１８５９５９号公報では、上記の排ガス浄化用触媒によれば、遷移金属化合物Ｂが触媒活性を発現するため、高価な貴金属Ａ量を減らしても高い触媒活性を維持することができると記載されている。

特開２００６−０４３６３４号公報では、貴金属と、一部又は全てが前記貴金属と複合物を形成する遷移金属化合物と、前記複合物と接触し、電気陰性度が１．５以下である第三成分元素と、前記貴金属、前記遷移金属化合物及び前記第三成分元素を担持し、かつ、一部又は全てが前記第三成分元素と複合酸化物を形成する多孔質担体とを有することを特徴とする排ガス浄化用触媒が記載されている。また、特開２００６−０４３６３４号公報では、貴金属と遷移金属化合物の複合物として、例えば、ＰｔとＣｏの組み合わせが具体的に開示されている。さらに、特開２００６−０４３６３４号公報では、上記の排ガス浄化用触媒によれば、遷移金属化合物が触媒活性を発現するため、触媒活性が向上し、貴金属の使用量を減らすことができると記載されている。

特表２００１−５２４０３０号公報では、金及び還元性遷移金属酸化物から形成される微細なクラスターを含有する活性錯体と、セリウム及びチタンの酸化物からなる多孔性支持体とを含む一酸化炭素及び炭化水素の酸化、亜酸化窒素の還元並びにオゾンの分解を同時に行う金触媒が記載されている。また、特表２００１−５２４０３０号公報では、上記の還元性遷移金属酸化物としてＣｏ₂Ｏ₃が具体的に開示されている。さらに、特表２００１−５２４０３０号公報では、上記の金触媒によれば、低温及び高温において亜酸化窒素の還元と一酸化炭素及び炭化水素の酸化とを同時に行うことができる旨記載されている。

上記の先行技術文献において触媒成分又は助触媒成分として提案されているＣｏ（コバルト）は、特にメタルの状態においてＮＯを解離する能力を有することが知られており、それゆえ白金族元素に代わり得る幾つかの可能性のある触媒成分のうちの１つである。しかしながら、コバルト等の卑金属は白金族元素に比べて一般的に酸化されやすいことが知られている。それゆえ、このような卑金属を排ガス浄化用触媒の触媒成分として使用したとしても、当該卑金属は、排ガス中に含まれる酸素等の酸化性成分によって比較的容易に酸化されてしまう。この場合には、当該卑金属のメタル化が不十分となり、結果として、排ガスの浄化、特にはＮＯｘの還元浄化に対して十分な触媒活性を達成することができない。

したがって、コバルト等の卑金属を酸化物の状態ではなくメタルの状態に維持して排ガスの浄化に対して高い触媒活性を達成するためには、排ガスの空燃比を例えば理論空燃比（ストイキ）よりも十分にリッチな空燃比に制御することが典型的に必要とされる。しかしながら、このような燃料リッチ雰囲気下における運転は、燃費の大幅な悪化を招くため一般的には好ましくない。

そこで、本発明は、触媒成分としてコバルトを含む新規の排ガス浄化用触媒であって、排ガスの浄化活性、特にはＮＯｘの還元活性が改善された排ガス浄化用触媒及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明は下記にある。
（１）触媒担体に金とコバルトからなりかつ０ｎｍ超１００ｎｍ以下の平均粒径を有する二元金属粒子を複数担持してなることを特徴とする、排ガス浄化用触媒。
（２）前記排ガス浄化用触媒をエネルギー分散型Ｘ線分析装置付走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ−ＥＤＸ）を用いて電子線のスポット径が１ｎｍ以下の条件下で分析したときに、無作為に選択した５個以上の金属粒子に関する測定点のうち過半数の測定点において、金とコバルトの両方の元素が検出されることを特徴とする、上記（１）に記載の排ガス浄化用触媒。
（３）前記排ガス浄化用触媒をエネルギー分散型Ｘ線分析装置付走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ−ＥＤＸ）を用いて電子線のスポット径が１ｎｍ以下の条件下で分析したときに、無作為に選択した１０個以上の金属粒子に関する測定点のうち７０％以上の測定点において、金とコバルトの両方の元素が検出されることを特徴とする、上記（２）に記載の排ガス浄化用触媒。
（４）前記二元金属粒子の平均粒径が０ｎｍ超２０ｎｍ以下であることを特徴とする、上記（１）〜（３）のいずれか１つに記載の排ガス浄化用触媒。
（５）前記二元金属粒子の平均粒径が０ｎｍ超１０ｎｍ以下であることを特徴とする、上記（４）に記載の排ガス浄化用触媒。
（６）前記二元金属粒子中の金の平均含有量が０原子％超７０原子％以下であることを特徴とする、上記（１）〜（５）のいずれか１つに記載の排ガス浄化用触媒。
（７）前記二元金属粒子中の金の平均含有量が５原子％以上５０原子％以下であることを特徴とする、上記（６）に記載の排ガス浄化用触媒。
（８）前記二元金属粒子中の金の平均含有量が１０原子％以上２５原子％以下であることを特徴とする、上記（７）に記載の排ガス浄化用触媒。
（９）触媒担体に金とコバルトからなりかつ０ｎｍ超１００ｎｍ以下の平均粒径を有する二元金属粒子を複数担持してなる排ガス浄化用触媒の製造方法であって、
金塩、コバルト塩、溶媒、及び無機還元剤を含む混合溶液を金とコバルトを還元するのに十分な温度において加熱することにより、金とコバルトからなる二元金属粒子を生成する加熱工程、並びに
生成した二元金属粒子を触媒担体に担持する担持工程
を含むことを特徴とする、排ガス浄化用触媒の製造方法。
（１０）前記排ガス浄化用触媒をエネルギー分散型Ｘ線分析装置付走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ−ＥＤＸ）を用いて電子線のスポット径が１ｎｍ以下の条件下で分析したときに、無作為に選択した５個以上の金属粒子に関する測定点のうち過半数の測定点において、金とコバルトの両方の元素が検出されることを特徴とする、上記（９）に記載の方法。
（１１）前記排ガス浄化用触媒をエネルギー分散型Ｘ線分析装置付走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ−ＥＤＸ）を用いて電子線のスポット径が１ｎｍ以下の条件下で分析したときに、無作為に選択した１０個以上の金属粒子に関する測定点のうち７０％以上の測定点において、金とコバルトの両方の元素が検出されることを特徴とする、上記（１０）に記載の方法。
（１２）前記二元金属粒子の平均粒径が０ｎｍ超２０ｎｍ以下であることを特徴とする、上記（９）〜（１１）のいずれか１つに記載の方法。
（１３）前記二元金属粒子の平均粒径が０ｎｍ超１０ｎｍ以下であることを特徴とする、上記（１２）に記載の方法。
（１４）前記加熱工程が９０℃以上２５０℃以下の温度で実施されることを特徴とする、上記（９）〜（１３）のいずれか１つに記載の方法。
（１５）前記加熱工程が１００℃超２００℃以下の温度で実施されることを特徴とする、上記（１４）に記載の方法。
（１６）前記溶媒が、テトラエチレングリコール、エチレングリコール、ｎ−プロピルアルコール、ｎ−ブチルアルコール、ｓｅｃ−ブチルアルコール、イソブチルアルコール、グリセリン、プロピレングリコール、イソアミルアルコール、ｎ−アミルアルコール、アリルアルコール、２−エトキシアルコール、１，２−ヘキサデカンジオール、ジメチルホルムアミド、及びそれらの組み合わせからなる群より選択されることを特徴とする、上記（９）〜（１５）のいずれか１つに記載の方法。
（１７）前記無機還元剤が、水素化ホウ素ナトリウム、アンモニアボラン、ヒドラジン、及びそれらの組み合わせからなる群より選択されることを特徴とする、上記（９）〜（１６）のいずれか１つに記載の方法。
（１８）前記無機還元剤が水素化ホウ素ナトリウムであることを特徴とする、上記（１７）に記載の方法。
（１９）前記混合溶液が保護剤をさらに含むことを特徴とする、上記（９）〜（１８）のいずれか１つに記載の方法。
（２０）前記担持工程の後に還元工程をさらに含むことを特徴とする、上記（９）〜（１９）のいずれか１つに記載の方法。

本発明によれば、金とコバルトがナノレベルで共存した金とコバルトからなる二元金属粒子を含む排ガス浄化用触媒を得ることができる。また、このような排ガス浄化用触媒によれば、金とコバルトを同一の金属粒子内にナノレベルで共存させることでコバルトの酸化を抑制することができる。その結果として、コバルトの触媒活性を高い状態に維持することができるので、排ガス浄化用触媒の排ガス浄化性能、特には４００℃以下又は３００℃以下の低温領域におけるＮＯｘ還元能を顕著に改善することが可能である。

本発明の排ガス浄化用触媒の製造方法を模式的に示した図である。 （ａ）は実施例２の排ガス浄化用触媒の走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）による写真を示し、（ｂ）及び（ｃ）はその拡大写真を示す。 （ａ）は実施例３の排ガス浄化用触媒のＳＴＥＭによる写真を示し、（ｂ）及び（ｃ）はその拡大写真を示す。 （ａ）は比較例２の排ガス浄化用触媒のＳＴＥＭによる写真を示し、（ｂ）及び（ｃ）はその拡大写真を示す。 （ａ）は比較例４の排ガス浄化用触媒のＳＴＥＭによる写真を示し、（ｂ）及び（ｃ）はその拡大写真を示す。 実施例２の排ガス浄化用触媒のＳＴＥＭ−ＥＤＸによる分析結果を示す。 実施例３の排ガス浄化用触媒のＳＴＥＭ−ＥＤＸによる分析結果を示す。 比較例４の排ガス浄化用触媒のＳＴＥＭ−ＥＤＸによる分析結果を示す。 実施例２及び３並びに比較例２の各排ガス浄化用触媒に関するＸ線回折パターンを示す図である。 実施例１〜３の各排ガス浄化用触媒に関するＮＯ浄化率を示すグラフである。 比較例１〜４の各排ガス浄化用触媒に関するＮＯ浄化率を示すグラフである。 （ａ）は活性評価後の実施例２の排ガス浄化用触媒のＳＴＥＭによる写真を示し、（ｂ）及び（ｃ）はその拡大写真を示す。 （ａ）は活性評価後の実施例３の排ガス浄化用触媒のＳＴＥＭによる写真を示し、（ｂ）及び（ｃ）はその拡大写真を示す。 （ａ）は活性評価後の比較例２の排ガス浄化用触媒のＳＴＥＭによる写真を示し、（ｂ）及び（ｃ）はその拡大写真を示す。 活性評価後の実施例２及び比較例２の各排ガス浄化用触媒に関するＸ線回折パターンを示す図である。

本発明の排ガス浄化用触媒は、触媒担体に金とコバルトからなりかつ０ｎｍ超１００ｎｍ以下の平均粒径を有する二元金属粒子を複数担持してなることを特徴としている。

先に記載したとおり、コバルト等の卑金属は、例えば、排ガス中に含まれる酸化性成分によって比較的容易に酸化されてそのメタル化が不十分となり、結果として、排ガスの浄化、特にはＮＯｘの還元浄化に対して十分な触媒活性を達成することができないという問題がある。

そこで、本発明者らは、酸素に対する親和力が比較的弱い金に着目して検討を行い、それをコバルトとナノレベルで共存させた金属粒子、すなわち金とコバルトからなりかつ０ｎｍ超１００ｎｍ以下の平均粒径を有する二元金属粒子を合成することで、コバルト単独の金属粒子と比較して、コバルトの酸化を抑制することができ又はコバルトの還元を促進させることができることを見出した。

また、本発明者らは、金とコバルトがナノレベルで共存した０ｎｍ超１００ｎｍ以下の平均粒径を有する二元金属粒子を触媒担体に担持することで、従来公知のいわゆる共含浸法によって金とコバルトを触媒担体に担持した場合に比べて、ＮＯｘ還元能、例えば４００℃以下、特には３００℃以下の低温領域におけるＮＯｘ還元能が顕著に改善された排ガス浄化用触媒が得られることをさらに見出した。

金とコバルトからなる金属粒子の平均粒径が１００ｎｍよりも大きくなると、金とコバルトがナノレベルで共存した二元金属粒子を形成できなくなり、結果として、金によるコバルトの酸化抑制効果を十分に得ることができない場合がある。また、金とコバルトからなる金属粒子がこのような大きな平均粒径を有する場合には、当該金属粒子の表面積が小さくなってコバルトの活性点数が少なくなり、最終的に得られる排ガス浄化用触媒について十分なＮＯｘ還元能を達成できない場合がある。したがって、本発明の排ガス浄化用触媒においては、金とコバルトからなる二元金属粒子は、０ｎｍ超１００ｎｍ以下の平均粒径を有し、好ましくは０ｎｍ超９０ｎｍ以下、０ｎｍ超８０ｎｍ以下、０ｎｍ超７０ｎｍ以下、０ｎｍ超６０ｎｍ以下、０ｎｍ超５０ｎｍ以下、０ｎｍ超４０ｎｍ以下、０ｎｍ超３０ｎｍ以下、０ｎｍ超２０ｎｍ以下、０ｎｍ超１５ｎｍ以下、０ｎｍ超１０ｎｍ以下、又は０ｎｍ超５ｎｍ以下の平均粒径を有する。このような平均粒径を有する二元金属粒子を触媒成分として使用することで、金とコバルトをナノレベルで確実に共存させて金によるコバルトの酸化抑制効果を十分に発揮させ、結果としてＮＯｘ還元能、特には低温領域におけるＮＯｘ還元能が顕著に改善された排ガス浄化用触媒を得ることができる。

なお、本発明において「平均粒径」とは、特に断りのない限り、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）及び走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等の電子顕微鏡を用いて、無作為に選択した１００個以上の粒子の定方向径（Ｆｅｒｅｔ径）を測定した場合のそれらの測定値の算術平均値を言うものである。

また、本発明の排ガス浄化用触媒において、二元金属粒子中の金とコバルトがナノレベルで共存していること又は原子レベルで混合していることは、例えば、当該排ガス浄化用触媒をエネルギー分散型Ｘ線分析装置付走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ−ＥＤＸ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ−Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ Ａｎａｌｙｓｉｓ）を用いて電子線のスポット径が１ｎｍ以下の条件下で分析したときに、無作為に選択した５個以上の金属粒子に関する測定点のうち過半数の測定点において金とコバルトの両方の元素が検出されることによって決定することができる。なお、ここで、ＳＴＥＭ−ＥＤＸとは、走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）とエネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＸ）を組み合わせた分析装置であり、当該分析装置を用いることによりＳＴＥＭ像の特定の部分に対して元素分析を行うことができる。

本発明によれば、例えば、排ガス浄化用触媒をＳＴＥＭ−ＥＤＸを用いて電子線のスポット径が１ｎｍ以下の条件下で分析したときに、無作為に選択した５個の金属粒子に関する測定点のうち１又は２個の測定点においてしか金とコバルトの両方の元素が検出されないか又は５個の測定点の全部において金若しくはコバルトの一方の元素しか検出されない場合には、金とコバルトはナノレベルで共存しているとは言えない。それゆえ、測定された排ガス浄化用触媒においては、本発明における二元金属粒子が形成されていないと判断することができる。

この場合には、金とコバルトがそれぞれ金粒子及びコバルト粒子を形成し、結果として金とコバルトが排ガス浄化用触媒中で分離して存在しているものと考えられる。すなわち、このような排ガス浄化用触媒においては、金とコバルトがナノレベルで共存していないために、金によるコバルトの酸化抑制効果を得ることができないと考えられる。実際、本発明者らによる実験では、このような排ガス浄化用触媒においては十分なＮＯｘ還元能を達成することができないことが確認された。

本発明によれば、好ましくは、金とコバルトからなる二元金属粒子は、排ガス浄化用触媒をＳＴＥＭ−ＥＤＸを用いて電子線のスポット径が１ｎｍ以下の条件下で分析したときに、無作為に選択した１０個以上の金属粒子に関する測定点のうち７０％以上、より好ましくは８０％以上、最も好ましくは９０％以上の測定点において金とコバルトの両方の元素が検出されるようなものである。このような二元金属粒子を触媒成分として使用することで、金によるコバルトの酸化抑制効果を十分に発揮させ、結果として顕著に改善された排ガス浄化性能、特には顕著に改善されたＮＯｘ還元能を達成することが可能である。

本発明によれば、二元金属粒子中の金の平均含有量は、０原子％超７０原子％以下であることが好ましい。

二元金属粒子中の金の平均含有量が０原子％すなわち二元金属粒子中に金を全く含まない場合には、当然ながら金によるコバルトの酸化抑制効果を得ることができない。したがって、この場合には、排ガス浄化用触媒において十分なＮＯｘ還元能を達成することができない。一方で、二元金属粒子中の金の平均含有量が７０原子％よりも大きい場合には、二元金属粒子中のコバルトの活性点の数が少なくなる。加えて、この場合には、二元金属粒子中に比較的多い量で存在する金によってその活性点が覆われることがあるため、最終的に得られる排ガス浄化用触媒について十分なＮＯｘ還元能を達成できない場合がある。したがって、二元金属粒子中に含まれる金とコバルトの割合には、金によるコバルトの酸化抑制効果、及びコバルトの活性点数等を考慮した最適値が存在すると考えられる。

本発明によれば、二元金属粒子中の金の平均含有量を０原子％超７０原子％以下、好ましくは５原子％以上５０原子％以下、より好ましくは５原子％以上３０原子％以下、最も好ましくは１０原子％以上２５原子％以下とすることで、コバルトの活性点数を維持しつつ、金によるコバルトの酸化抑制効果を十分に発揮させ、結果としてＮＯｘ還元能、特には低温領域におけるＮＯｘ還元能が顕著に改善された排ガス浄化用触媒を得ることが可能である。

なお、本発明において「金の平均含有量」とは、二元金属粒子を合成する際に導入される金塩及びコバルト塩中に含まれる金原子とコバルト原子の合計原子数に対する金原子数の割合を言うものである。

本発明によれば、金とコバルトからなる二元金属粒子が担持される触媒担体としては、特に限定されないが、排ガス浄化用触媒の技術分野において一般に触媒担体として用いられる任意の金属酸化物を使用することができる。このような触媒担体としては、例えば、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、ジルコニア（ＺｒＯ₂）、セリア（ＣｅＯ₂）、シリカ（ＳｉＯ₂）、チタニア（ＴｉＯ₂）又はそれらの組み合わせ等が挙げられる。

本発明では、上記の金とコバルトからなる二元金属粒子を触媒担体に複数担持してなる排ガス浄化用触媒の製造方法がさらに提供される。

複数の金属元素を触媒担体に担持してなる排ガス浄化用触媒を製造する方法としては、例えば、各金属元素をそれらの塩を含む混合溶液を用いて触媒担体に単に含浸担持するいわゆる共含浸法が一般に公知である。しかしながら、このような従来の共含浸法では、金とコバルトの特定の組み合わせにおいてそれらの金属元素をナノレベルで共存させた二元金属粒子を形成することはできない。また、このような方法によって得られた排ガス浄化用触媒では、金とコバルトがそれぞれ金粒子及びコバルト粒子として別々に触媒担体上に存在し、それゆえ金によるコバルトの酸化抑制効果等を得ることもできないと考えられる。実際、本発明者らによる実験では、共含浸法によって金とコバルトを触媒担体に担持した場合に、比較的大きな粒径を有する金粒子が形成することが確認された。したがって、従来の共含浸法によって金とコバルトを触媒担体に担持してなる排ガス浄化用触媒では十分なＮＯｘ還元能を達成することはできない。

一方、特表２００１−５２４０３０号公報では、いわゆる共沈法によって金と酸化コバルトを含む粒子を触媒担体に担持させる方法が開示されている。しかしながら、このような方法によっても、共含浸法の場合と同様に、金とコバルトをナノレベルで共存させた二元金属粒子を形成することはできない。

また、複数の金属元素を含む金属粒子を製造する方法の１つとして、当該金属粒子を構成する各金属元素の塩を含む混合溶液にアルコール等の還元剤を添加し、必要に応じて加熱等を行いながら、混合溶液中に含まれる各金属元素のイオンを同時に還元する方法が知られている。例えば、Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．１９３３，９７，５１０３−５１１４では、アルコール還元によって金とパラジウムを含む金属粒子を製造する方法が記載されている。しかしながら、たとえこのような従来公知の方法を金とコバルトの特定の金属元素の組み合わせに対して適用したとしても、これらの金属元素がナノレベルで共存した二元金属粒子を製造することはできない。また、たとえこのような方法によって金とコバルトを含む金属粒子を製造したとしても、これらの金属元素がナノレベルで共存していなければ、金とコバルトを組み合わせたことによる特有の効果、すなわち金によるコバルトの酸化抑制効果が得られる可能性も低いと考えられる。

本発明者らは、金塩とコバルト塩を含む混合溶液に、還元剤として従来のアルコール等の有機還元剤ではなく、水素化ホウ素ナトリウム等の無機還元剤を添加し、そして金とコバルトを還元するのに十分な温度において加熱することにより、金とコバルトがナノレベルで共存した二元金属粒子、特には金とコバルトが原子レベルで混合した二元金属粒子を生成できることを見出した。さらに、本発明者らは、生成した金とコバルトからなる二元金属粒子を含む溶液に触媒担体を導入して従来公知の方法により当該二元金属粒子を触媒担体に担持することで、ＮＯｘ還元能、例えば４００℃以下、特には３００℃以下の低温領域におけるＮＯｘ還元能が顕著に改善された排ガス浄化用触媒を得ることができることをさらに見出した。

図１は、本発明の排ガス浄化用触媒の製造方法を模式的に示した図である。図１を参照すると、例えば、まず、金塩とコバルト塩が１つ又は複数の溶媒中に溶解され、Ａｕ³⁺イオン１１とＣｏ²⁺イオン１２、さらには後で説明するポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）等の任意選択の保護剤１３を含む混合溶液が調製される。そして、Ａｕ³⁺イオン１１及びＣｏ²⁺イオン１２と任意選択の保護剤１３によって錯体（図示せず）が形成される。次いで、還元剤として水素化ホウ素ナトリウム等の無機還元剤が添加され、金とコバルトを還元するのに十分な温度において加熱される。このようにすることで、混合溶液中に溶解しているＡｕ³⁺イオン１１とＣｏ²⁺イオン１２の両イオンを同時に還元することができ、結果として、金とコバルトがナノレベルで共存したＡｕ−Ｃｏ二元金属粒子１４を得ることができる。次に、上記のようにして合成したＡｕ−Ｃｏ二元金属粒子１４を含む溶液に金属酸化物等からなる触媒担体１５を導入し、その後、乾燥及び焼成等することにより、Ａｕ−Ｃｏ二元金属粒子１４を触媒担体１５に担持してなる本発明の排ガス浄化用触媒１０を得ることができる。

本発明の方法によれば、金塩及びコバルト塩としては、特に限定されないが、例えば、塩化物、酢酸塩、硝酸塩等を使用することができる。

また、上記の金塩とコバルト塩を含む混合溶液において用いられる溶媒としては、これらの金属塩を溶解させることができ、かつ本発明の方法の加熱工程における加熱温度よりも高い沸点を有する任意の溶媒を使用することができる。好ましくは、このような溶媒としては、テトラエチレングリコール、エチレングリコール、ｎ−プロピルアルコール、ｎ−ブチルアルコール、ｓｅｃ−ブチルアルコール、イソブチルアルコール、グリセリン、プロピレングリコール、イソアミルアルコール、ｎ−アミルアルコール、アリルアルコール、２−エトキシアルコール、１，２−ヘキサデカンジオール、ジメチルホルムアミド、又はそれらの組み合わせを使用することができる。なお、これらの溶媒は、後で説明する保護剤と同様の効果を有する場合がある。例えば、本発明の方法における溶媒としてテトラエチレングリコール等を使用した場合には、単に金塩及びコバルト塩を溶解させるだけでなく、生成される二元金属粒子を安定化させることができると考えられる。

本発明の方法では、金塩とコバルト塩は、最終的に得られる二元金属粒子中の所望の金含有量又はＡｕ：Ｃｏ比（原子比）に対応した量において上記の溶媒中に適宜添加すればよい。特に限定されないが、一般的には、金塩とコバルト塩は、最終的に得られる二元金属粒子中の金の平均含有量が０原子％超７０原子％以下、好ましくは５原子％以上５０原子％以下、より好ましくは５原子％以上３０原子％以下、最も好ましくは１０原子％以上２５原子％以下となるような量において上記の溶媒中に添加することができる。

本発明の方法によれば、上記の金塩とコバルト塩を含む混合溶液に添加される無機還元剤としては、特に限定されないが、例えば、水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ₄）、アンモニアボラン（ＮＨ₃ＢＨ₃）等のホウ素系還元剤、ヒドラジン（Ｎ₂Ｈ₄）、又はそれらの組み合わせを使用することができ、好ましくは水素化ホウ素ナトリウムを使用することができる。このような無機還元剤は、混合溶液中に溶解している金イオンとコバルトイオンを還元して金とコバルトがナノレベルで共存した二元金属粒子を形成するのに十分な量において添加すればよい。

なお、アンモニアボランについて言えば、例えば、先行技術文献等において水素貯蔵材料としての利用可能性が報告されているものの、当該アンモニアボランを金属粒子等の製造において還元剤として使用すること及びその有用性については必ずしも一般的には知られていない。したがって、本発明の方法のように、還元剤としてアンモニアボランを使用することにより、金とコバルトをナノレベルで共存させた二元金属粒子を合成できるということは極めて意外であり、また驚くべきことである。

何ら特定の理論に束縛されることを意図するものではないが、本発明の方法において、例えば、還元剤としてホウ素系還元剤やヒドラジンのような無機還元剤ではなく、アルコール等の比較的弱い有機還元剤を使用した場合には、コバルトイオンに比べて還元されやすい金イオンが優先的に還元されて粒成長すると考えられる。その結果として、金とコバルトの相が分離し、金粒子とコバルト粒子がそれぞれ生成してしまうものと考えられる。これに対し、ホウ素系還元剤やヒドラジンのような無機還元剤はその還元力がアルコール等の有機還元剤に比べて非常に強いことが知られている。したがって、本発明の方法によれば、還元剤としてこれらの無機還元剤を使用することで、アルコール等の有機還元剤を使用した場合のようにコバルトイオンに対して金イオンが優先的に還元されるということなく、混合溶液中に溶解しているコバルトイオンと金イオンの両イオンを同時に還元することができると考えられる。その結果として、本発明の方法によれば、金とコバルトがナノレベルで共存した二元金属粒子、特には金とコバルトが原子レベルで混合した二元金属粒子を得ることができると考えられる。

さらに、本発明の方法では、当該方法により生成する二元金属粒子の表面に配位又は吸着して二元金属粒子同士の凝集や粒成長を抑制しかつ安定化させる目的で、金塩及びコバルト塩を含む混合溶液に保護剤を任意選択で添加してもよい。このような保護剤としては、特に限定されないが、配位性の物質でありかつ金元素及びコバルト元素のいずれにも配位能を有する物質であることが好ましい。本発明の方法で用いることのできる保護剤としては、例えば、親水性高分子等の高分子化合物や両親媒性分子が挙げられる。

親水性高分子としては、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）等の水酸基含有化合物、ポリビニルピロリドン（以下、ＰＶＰと略す）等の環状アミド含有化合物、環状イミド含有化合物、ポリアクリル酸（ＰＡＡ）、ポリ（アクリル酸ナトリウム）、ポリ（アクリル酸カリウム）、ポリアクリル酸部分水和物架橋体、アクリル酸・イタコン酸アミド共重合体等のカルボキシル基含有化合物、酢酸ビニル−アクリル酸エステル共重合体のケン化物等のカルボン酸エステル化合物、ポリアクリルアミド、ポリアクリルアミド部分加水分解物、ポリアクリルアミド部分加水分解物のアミド基含有化合物、アクリロニトリル共重合体等のニトリル基含有化合物、ポリビニルピリジン、ポリエチレンイミン（ＰＥＩ）、ポリアリルアミン、ポリアミン、Ｎ−（３−アミノプロピル）ジエタノールアミン、ポリアミノ酸、ポリリン酸、ヘテロポリ酸等の水溶性若しくは親水性の高分子及びこれらの共重合体、又はシクロデキストリン、アミノペクチン、メチルセルロース、ゼラチンなどの天然物等が挙げられる。これらの中でも、ＰＶＰを用いることが好ましい。

両親媒性分子としては、溶質分子が親水性基と親油基とを有すればよく、ステアリン酸ナトリウム等の高級脂肪酸アルカリ塩、ドデシル硫酸ナトリウム等のアルキル硫酸塩、ドデシルスルホン酸ナトリウム等のアルキルスルホン酸塩、エチルベンゼンスルホン酸ナトリウム等のアルキルアリールスルホン酸塩等の陰イオン界面活性剤、ドデシルトリメチルアンモニウムブロミド、ドデシルトリメチルアンモニウムブロミドの高級アミンハロゲン酸塩、ヨウ化メチルピリジニウム等のハロゲン化アルキルピリジニウム、ヨウ化テトラアルキルアンモニウム等のテトラアンモニウム塩等の陽イオン活性剤、ポリエチレングリコールアルキルエーテル、ポリエチレングリコールモノラウレート等のポリエチレングリコール脂肪酸エステル、ソルビタン脂肪酸エステル等の非イオン活性剤、アミノ酸等の両性表面活性剤等が挙げられる。上記の保護剤を本発明の方法において金塩、コバルト塩、溶媒、及び無機還元剤を含む混合溶液に添加することで、得られる二元金属粒子の大きさをより確実にナノメートルサイズに制御することが可能である。

本発明の方法では、金塩、コバルト塩、無機還元剤、及び任意選択の保護剤の混合順序は、特には限定されず、これらは任意の順序で混合することができる。例えば、金塩とコバルト塩を含む溶液に任意選択の保護剤を加えた後、無機還元剤を加えてもよいし、あるいはまた、任意選択の保護剤に無機還元剤を加えた後、この混合溶液に金塩とコバルト塩を含む溶液を加えてもよい。

本発明の方法によれば、金塩、コバルト塩、溶媒、無機還元剤、及び任意選択の保護剤を含む混合溶液が、加熱工程において金とコバルトを還元するのに十分な温度、特には９０℃以上２５０℃以下、好ましくは１００℃超２５０℃以下、より好ましくは１００℃超２００℃以下の温度において加熱される。なお、このような加熱工程は、使用される無機還元剤の種類や加熱温度に応じて適切な時間にわたり実施すればよく、特に限定されないが、一般的には、上記の温度において１５分〜５時間、特には３０分〜３時間実施することができる。しかしながら、先に記載したとおり、金イオンはコバルトイオンに比べて非常に還元されやすい元素であるため、無機還元剤との混合前に金塩を含む溶液を予め加熱することは好ましくない。したがって、金イオンがコバルトイオンに対して優先的に還元されて粒成長することを防ぐために、例えば、金塩及びコバルト塩を含む溶液を室温等の低温下において無機還元剤と混合した後、当該混合溶液を加熱することが好ましい。

なお、本発明の方法において無機還元剤として水素化ホウ素ナトリウムやアンモニアボラン等のホウ素系還元剤を使用した場合、本発明の方法の加熱工程において生成された金とコバルトからなる二元金属粒子を含む溶液中には当該ホウ素系還元剤が残留している。このホウ素系還元剤は、その後の担持工程における乾燥及び焼成処理等によっては十分に分解除去することができない。したがって、ホウ素系還元剤を用いて金イオンとコバルトイオンを同時還元した後、これを多量のアセトン等を用いて精製処理することが好ましい。これにより残留するホウ素系還元剤をアセトン相に抽出することができるので、得られた二元金属粒子を容易に精製することが可能である。

一方で、本発明の方法において無機還元剤としてヒドラジン等を使用した場合には、ヒドラジンは、その後の担持工程における乾燥及び焼成処理等によって容易に分解除去することができる。したがって、本発明の方法において、無機還元剤としてヒドラジン等を使用した場合には、水素化ホウ素ナトリウムやアンモニアボランなどのホウ素系還元剤を使用した場合と比較して、担持工程の前に無機還元剤を取り除くための精製処理等の追加の工程を必要としないため、工程がより簡単である。

本発明の方法によれば、担持工程において金とコバルトからなる二元金属粒子が担持される触媒担体としては、特に限定されないが、排ガス浄化用触媒の技術分野において一般に触媒担体として用いられる任意の金属酸化物を使用することができる。このような触媒担体としては、先に述べたとおり、例えば、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、ジルコニア（ＺｒＯ₂）、セリア（ＣｅＯ₂）、シリカ（ＳｉＯ₂）、チタニア（ＴｉＯ₂）又はそれらの組み合わせ等が挙げられる。

なお、金とコバルトからなる二元金属粒子の上記触媒担体への担持は、当業者に公知の任意の方法によって行うことができる。例えば、上記のようにして合成した金とコバルトからなる二元金属粒子を含む溶液を、例えば、所定量の溶液に分散させた金属酸化物（触媒担体）の粉末に、金及び／又はコバルトの量が当該触媒担体に対して一般的に０．０１〜１０ｗｔ％の範囲になるような量において添加する。次いで、これを所定の温度及び時間、特には金属塩の塩部分や、任意選択の保護剤等、さらには場合により無機還元剤を分解除去しかつ二元金属粒子を触媒担体上に担持するのに十分な温度及び時間において乾燥及び焼成することにより、金とコバルトからなる二元金属粒子を触媒担体に複数担持してなる排ガス浄化用触媒を得ることができる。

本発明の方法によれば、金とコバルトからなる二元金属粒子であって、０ｎｍ超１００ｎｍ以下、特には０ｎｍ超２０ｎｍ以下、０ｎｍ超１０ｎｍ以下又は０ｎｍ超５ｎｍ以下の平均粒径を有する二元金属粒子が担持された排ガス浄化用触媒を得ることができる。しかも、当該二元金属粒子は、金とコバルトがナノレベルで共存しており、例えば、排ガス浄化用触媒をエネルギー分散型Ｘ線分析装置付走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ−ＥＤＸ）を用いて電子線のスポット径が１ｎｍ以下の条件下で分析したときに、無作為に選択した５個以上の金属粒子に関する測定点のうち過半数の測定点において金とコバルトの両方の元素が検出され、好ましくは無作為に選択した１０個以上の金属粒子に関する測定点のうち７０％以上、より好ましくは８０％以上、最も好ましくは９０％以上の測定点において金とコバルトの両方の元素が検出されるようなものである。したがって、本発明の方法によって得られた排ガス浄化用触媒によれば、金によるコバルトの酸化抑制効果を十分に発揮させ、結果として顕著に改善された排ガス浄化性能、特には顕著に改善されたＮＯｘ還元能を達成することが可能である。

また、本発明の方法においては、上記担持工程の後に任意選択で還元工程をさらに実施してもよい。本発明の方法によって得られた排ガス浄化用触媒を当該還元工程において還元処理することで二元金属粒子中のコバルトを活性の高いメタルの状態に確実に還元することができる。なお、このような還元処理は、当業者に公知の任意の方法によって行うことができる。例えば、本発明の方法によって得られた排ガス浄化用触媒の粉末を還元性雰囲気中、特には水素含有雰囲気中３００〜８００℃の温度で５分〜１時間にわたり実施することができる。あるいはまた、本発明の方法によって得られた排ガス浄化用触媒の粉末を所定のバインダ等を加えてコージェライト製ハニカム基材等の触媒基材上に塗布した後に、上記の還元処理を行うようにしてもよい。

以下、実施例によって本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。

以下の実施例では、Ａｕ−Ｃｏ二元金属粒子を触媒成分として含む排ガス浄化用触媒を調製し、その特性及びＮＯｘ浄化性能について調べた。

［実施例１］
［Ａｕ−Ｃｏ二元金属粒子（Ａｕ平均含有量５０原子％）の合成］
まず、３００ｍＬのビーカーに溶媒としてのテトラエチレングリコールを１２０ｍＬ入れ、そこに保護剤としてのポリビニルピロリドン（ＰＶＰ Ｋ−２５、平均分子量３５０００）７．５ｇ（６７．５ｍｍｏｌ）と酢酸コバルト（ＩＩ）四水和物（Ｃｏ（ＣＨ₃ＣＯＯ）₂・４Ｈ₂Ｏ）０．８４ｇ（３．３８ｍｍｏｌ）を加えて、溶液の温度を８０℃に加熱し、超音波をかけながらこれらを溶解させた。次いで、この溶液を室温まで冷却した後、当該溶液にテトラエチレングリコール４０ｍＬに溶解させた３０ｗｔ％塩化金酸（ＨＡｕＣｌ₄）水溶液２．１９ｇ（３．３８ｍｍｏｌ）を加えた。次いで、得られた溶液を当該溶液中の酸素を追い出して金とコバルトが還元されやすい条件にするために窒素で１０分間バブリングした後、当該溶液にテトラエチレングリコール４０ｍＬに溶解させた無機還元剤としての水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ₄）１．０２ｇ（２７ｍｍｏｌ）を加えて室温で３０分間攪拌した。次いで、得られた混合溶液をオイルバスを用いて１６０℃に加熱し、この温度で１時間保持して攪拌し、金とコバルトを還元した後、室温まで冷却した。

次に、得られた溶液を３Ｌのビーカーに移し、アセトンで１０倍に希釈した。次いで、この希釈溶液を遠心分離機（３０００ｒｐｍ）で１０分間処理することにより生成物を沈殿させた。次いで、上澄み液を廃棄して、残留する水素化ホウ素ナトリウムを除去した。最後に、得られた黒色沈殿物に８０ｍＬのエタノールを加えて当該黒色沈殿物をエタノール中に再分散させ、Ａｕ平均含有量が５０原子％のＡｕ−Ｃｏ二元金属粒子を含む分散液を得た。

［Ａｕ−Ｃｏ／ＳｉＯ₂（Ａｕ平均含有量５０原子％）の調製］
次に、上で得られたＡｕ−Ｃｏ二元金属粒子（Ａｕ平均含有量５０原子％）を含む分散液にＡｕとＣｏの合計担持量が触媒担体に対して５ｗｔ％となるようにシリカ（ナノテックＳｉＯ₂）１７．３ｇを加えた後、約１００℃に加熱することにより分散媒を除去した。次いで、１２０℃で８時間乾燥した後、これを乳鉢で粉砕し、得られた粉末を空気中５００℃で２時間焼成した。次いで、得られた粉末を１９６ＭＰａの圧力で圧粉成型した後、ふるいにかけて１．０〜１．７ｍｍのペレット状の触媒を得た。本実施例では、さらに、得られた触媒２ｇを流通型反応炉に入れ、１ｖｏｌ％Ｈ₂／Ｎ₂バランスからなる還元性ガスの流通下において６００℃で１５分間にわたり還元処理した。その後、同じ雰囲気の下で１００℃以下まで冷却し、Ａｕ−Ｃｏ／ＳｉＯ₂（Ａｕ平均含有量５０原子％）からなる排ガス浄化用触媒を得た。

［実施例２］
［Ａｕ−Ｃｏ／ＳｉＯ₂（Ａｕ平均含有量２５原子％）の調製］
酢酸コバルト（ＩＩ）四水和物の量を１．２７ｇ（５．１０ｍｍｏｌ）に変更し、さらに３０ｗｔ％塩化金酸水溶液の量を１．０７ｇ（１．６５ｍｍｏｌ）に変更したこと以外は実施例１と同様にして、Ａｕ平均含有量が２５原子％のＡｕ−Ｃｏ二元金属粒子を含む分散液を得た。次いで、シリカの量を１２．５ｇに変更したこと以外は実施例１と同様にして、Ａｕ−Ｃｏ／ＳｉＯ₂（Ａｕ平均含有量２５原子％）からなる排ガス浄化用触媒を得た。

［実施例３］
［Ａｕ−Ｃｏ／ＳｉＯ₂（Ａｕ平均含有量１０原子％）の調製］
酢酸コバルト（ＩＩ）四水和物の量を１．５１ｇ（６．０８ｍｍｏｌ）に変更し、さらに３０ｗｔ％塩化金酸水溶液の量を０．４４ｇ（０．６８ｍｍｏｌ）に変更したこと以外は実施例１と同様にして、Ａｕ平均含有量が１０原子％のＡｕ−Ｃｏ二元金属粒子を含む分散液を得た。次いで、シリカの量を９．８５ｇに変更したこと以外は実施例１と同様にして、Ａｕ−Ｃｏ／ＳｉＯ₂（Ａｕ平均含有量１０原子％）からなる排ガス浄化用触媒を得た。

［比較例１］
［Ａｕ／ＳｉＯ₂（Ａｕ平均含有量１００原子％）の調製］
３０ｗｔ％塩化金酸水溶液の量を４．３７ｇ（６．７５ｍｍｏｌ）に変更し、酢酸コバルト（ＩＩ）四水和物等を加えなかったこと以外は実施例１と同様にして、Ａｕ金属粒子を含む分散液を得た。次いで、シリカの量を２６．６ｇに変更したこと以外は実施例１と同様にして、Ａｕ／ＳｉＯ₂（Ａｕ平均含有量１００原子％）からなる排ガス浄化用触媒を得た。

［比較例２］
［Ｃｏ／ＳｉＯ₂（Ａｕ平均含有量０原子％）の調製］
酢酸コバルト（ＩＩ）四水和物の量を１．６８ｇ（６．７５ｍｍｏｌ）に変更し、３０ｗｔ％塩化金酸水溶液等を加えなかったこと以外は実施例１と同様にして、Ｃｏ金属粒子を含む分散液を得た。次いで、シリカの量を７．９６ｇに変更したこと以外は実施例１と同様にして、Ｃｏ／ＳｉＯ₂（Ａｕ平均含有量０原子％）からなる排ガス浄化用触媒を得た。

［比較例３］
［Ａｕ／ＳｉＯ₂とＣｏ／ＳｉＯ₂の物理混合触媒（Ａｕ平均含有量５０原子％）の調製］
本比較例では、Ａｕ／ＳｉＯ₂とＣｏ／ＳｉＯ₂を単に物理混合することによってＡｕ／ＳｉＯ₂とＣｏ／ＳｉＯ₂からなる排ガス浄化用触媒を調製した。具体的には、まず、比較例１と同様にしてＡｕ金属粒子を含む分散液を得た。次いで、この分散液にシリカ１７．５ｇを加えて当該シリカにＡｕを担持し、Ａｕの担持量がシリカに対して７．６ｗｔ％のＡｕ／ＳｉＯ₂（Ａｕ平均含有量１００原子％）からなる触媒を得た。次に、比較例２と同様にしてＣｏ金属粒子を含む分散液を得た。次いで、この分散液にシリカ１７．３ｇを加えて当該シリカにＣｏを担持し、Ｃｏの担持量がシリカに対して２．４ｗｔ％のＣｏ／ＳｉＯ₂（Ａｕ平均含有量０原子％）からなる触媒を得た。次いで、両触媒を１７ｇずつ秤量し、これらを乳鉢で混合した後、実施例１等と同様にして、Ａｕ／ＳｉＯ₂とＣｏ／ＳｉＯ₂からなる排ガス浄化用触媒（Ａｕ平均含有量５０原子％）を得た。

［比較例４］
［Ａｕ，Ｃｏ／ＳｉＯ₂（Ａｕ平均含有量２５原子％）の調製］
本比較例では、単に従来の共含浸法によって金とコバルトをシリカに担持したＡｕ，Ｃｏ／ＳｉＯ₂を調製した。具体的には、まず、３００ｍＬのビーカーに蒸留水５０ｍＬを入れ、これに塩化金酸（ＨＡｕＣｌ₄）水溶液１．４１ｇと酢酸コバルト（ＩＩ）四水和物（Ｃｏ（ＣＨ₃ＣＯＯ）₂・４Ｈ₂Ｏ）１．３５ｇを加えて室温で攪拌した。これらを完全に溶解させた後、シリカ（ナノテックＳｉＯ₂）１５ｇを加えて加熱し分散媒を除去した。次いで、１２０℃で１時間乾燥した後、これを乳鉢で粉砕して均一な粉状にし、得られた粉末を空気中５００℃で２時間焼成した。次いで、得られた粉末を１９６ＭＰａの圧力で圧粉成型した後、ふるいにかけて１．０〜１．７ｍｍのペレット状の触媒を得た。さらに、得られた触媒２ｇを流通型反応炉に入れ、１ｖｏｌ％Ｈ₂／Ｎ₂バランスからなる還元性ガスの流通下において６００℃で１５分間にわたり還元処理した。その後、同じ雰囲気の下で１００℃以下まで冷却し、最終的にＡｕとＣｏの合計担持量がシリカに対して５ｗｔ％のＡｕ，Ｃｏ／ＳｉＯ₂（Ａｕ平均含有量２５原子％）からなる排ガス浄化用触媒を得た。

［触媒の分析］
実施例２及び３並びに比較例２及び３において得られた各排ガス浄化用触媒について、走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）（日本電子製ＪＥＭ−１０００、加速電圧：２００ｋＶ）によってそれらの測定を行った。なお、各測定試料をエタノールで希釈し、モリブデングリッドに滴下後、乾燥させたものについて測定を行った。これらの結果を図２〜５に示す。

図２〜５は、（ａ）が実施例２及び３並びに比較例２及び４の各排ガス浄化用触媒の走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）による写真を示し、（ｂ）及び（ｃ）はそれらの拡大写真を示している。

図２及び３を参照すると、実施例２のＡｕ−Ｃｏ／ＳｉＯ₂（Ａｕ平均含有量２５原子％）及び実施例３のＡｕ−Ｃｏ／ＳｉＯ₂（Ａｕ平均含有量１０原子％）では、平均粒径が明らかに１０ｎｍ以下の非常に微細な金属粒子がシリカ担体上に存在していることを確認することができる。また、図２及び３中の多くの金属粒子においてその粒径が５ｎｍ以下であった。特に、図３（ｃ）を参照すると、実施例３のＡｕ−Ｃｏ／ＳｉＯ₂（Ａｕ平均含有量１０原子％）では、金属粒子に関するＳＴＥＭ像のコントラストから、当該金属粒子は、例えばＡｕを主成分とするコア部とＣｏを主成分とするシェル部によって構成されるコアシェル構造を有することが示唆された。また、図４を参照すると、Ｃｏのみを担持した比較例２のＣｏ／ＳｉＯ₂（Ａｕ平均含有量０原子％）では、実施例２及び３の場合と比較して幾分大きな金属粒子（Ｃｏ粒子）が観察されるものの、５ｎｍ以下の金属粒子の存在も確認することができる。これとは対照的に、図５を参照すると、いわゆる共含浸法によって調製した比較例４のＡｕ，Ｃｏ／ＳｉＯ₂（Ａｕ平均含有量２５原子％）では、数十ｎｍの比較的大きな粒径を有する金属粒子の存在が多く確認された。

図６及び７は、実施例２及び３の各排ガス浄化用触媒のエネルギー分散型Ｘ線分析装置付走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ−ＥＤＸ）（日本電子製ＪＥＭ−１０００）による分析結果を示している。具体的には、図６（ａ）及び（ｂ）は、実施例２の排ガス浄化用触媒のＳＴＥＭ−ＥＤＸによる写真を示し、図６（ｃ）は、図６（ａ）及び（ｂ）中の金属粒子に関する測定点１〜１０（電子線のスポット径が１ｎｍ以下の条件下で分析したもの）及び領域１１における金とコバルトの組成比（原子％）を示している。同様に、図７（ａ）及び（ｂ）は、実施例３の排ガス浄化用触媒のＳＴＥＭ−ＥＤＸによる写真を示し、図７（ｃ）は、図７（ａ）及び（ｂ）中の金属粒子に関する測定点１〜１２（電子線のスポット径が１ｎｍ以下の条件下で分析したもの）及び領域１３における金とコバルトの組成比（原子％）を示している。なお、図６及び７中の点線は、実施例２及び３の各排ガス浄化用触媒をＩＣＰ（誘導結合プラズマ）発光分析によって分析した場合の測定値を示している。

図６（ｃ）を参照すると、金属粒子に関する測定点１〜１０のうち全ての測定点において金とコバルトの両方の元素が検出されていることがわかる。また、測定点１〜１０における金属粒子中の金とコバルトの組成比は多少のばらつきは見られたものの、その平均値はＩＣＰ発光分析によって得られた排ガス浄化用触媒全体の金とコバルトの組成比（図６（ｃ）中の点線）とよく一致していた。また、その平均値は、金とコバルトの仕込み比（Ａｕ：Ｃｏ＝１：３）ともある程度の一致が観測された。一方、図７（ｃ）では、金属粒子に関する測定点１〜１２のうち測定点４を除く１１個の測定点において金とコバルトの両方の元素が検出された。また、測定点１〜１２における金属粒子中の金とコバルトの組成比及びその平均値は、ＩＣＰ発光分析によって得られた排ガス浄化用触媒全体の金とコバルトの組成比（図７（ｃ）中の点線）及び金とコバルトの仕込み比（Ａｕ：Ｃｏ＝１：９）と比較して金の含有量が高くなる傾向が観測された。

図８は、従来の共含浸法によって調製された比較例４の排ガス浄化用触媒のＳＴＥＭ−ＥＤＸによる分析結果を示している。具体的には、図８（ａ）は、比較例４の排ガス浄化用触媒のＳＴＥＭ−ＥＤＸによる写真を示し、図８（ｂ）は、図８（ａ）中の金属粒子に関する測定点１〜５（電子線のスポット径が１ｎｍ以下の条件下で分析したもの）における金とコバルトの組成比（原子％）を示している。図８（ｂ）を参照すると、金属粒子に関する測定点１〜５のうち測定点１及び４の２個の測定点においてしか金とコバルトの両方の元素が検出されなかった。加えて、これらの測定点において得られた金とコバルトの組成比も、金とコバルトの仕込み比（Ａｕ：Ｃｏ＝１：３）とは全く異なるものであった。また、図８（ａ）の写真からも明らかなように、比較例４の排ガス浄化用触媒では、数十ｎｍの比較的大きな粒径を有する金属粒子の存在が多く確認された。また、ＥＤＸによる分析から、これらの粗大な金属粒子は主として又は完全に金で構成されており、それゆえ比較例４の排ガス浄化用触媒では金とコバルトが互いに分離して存在していることが確認された。

［Ｘ線回折による触媒の分析］
実施例２及び３並びに比較例２の各排ガス浄化用触媒について、Ｘ線回折（ＸＲＤ）（リガク製ＲＩＮＴ２０００）によってそれらの測定を行った。なお、具体的な測定条件は以下のとおりである。
測定方法： ＦＴ法（Ｆｉｘｅｄ Ｔｉｍｅ法）
Ｘ線源： ＣｕＫα
サンプリング間隔： ０．０２ｄｅｇ．
スキャン速度： ２．４ｄｅｇ．／ｍｉｎ
発散スリット（ＤＳ）：２／３ｄｅｇ．
散乱スリット（ＳＳ）：２／３ｄｅｇ．
受光スリット（ＲＳ）：０．５ｍｍ
管電圧： ５０ｋＶ
管電流： ３００ｍＡ

図９は、実施例２及び３並びに比較例２の各排ガス浄化用触媒に関するＸ線回折パターンを示す図である。なお、図９には、Ａｕ、Ｃｏ、ＣｏＯ及びＣｏ₃Ｏ₄の各回折ピークに関する文献値を参考として示している。図９を参照すると、実施例２のＡｕ−Ｃｏ／ＳｉＯ₂（Ａｕ平均含有量２５原子％）では、ｆｃｃ（面心立方）構造に由来する回折ピークのみが観察されたのに対し、実施例３のＡｕ−Ｃｏ／ＳｉＯ₂（Ａｕ平均含有量１０原子％）では、ｆｃｃ構造以外に帰属できないピーク（５２°付近等）が検出された。

また、Ｃｏのみを担持した比較例２のＣｏ／ＳｉＯ₂（Ａｕ平均含有量０原子％）では、明確な回折ピークは検出されなかった。ＸＲＤ解析と先のＳＴＥＭ観察の結果を考慮すると、実施例２のＡｕ−Ｃｏ／ＳｉＯ₂（Ａｕ平均含有量２５原子％）では、ｆｃｃ構造を有する比較的均一なＡｕ−Ｃｏ二元金属粒子が形成されていると考えられる。また、実施例３のＡｕ−Ｃｏ／ＳｉＯ₂（Ａｕ平均含有量１０原子％）では、ｆｃｃ構造を有する微結晶の外部を別の結晶構造を有する層、例えばＣｏ又はＡｕ−Ｃｏ層が被覆しているようなコアシェル構造を有するＡｕ−Ｃｏ二元金属粒子が形成している可能性があると考えられる。

［触媒の活性評価］
次に、実施例１〜３及び比較例１〜４の各排ガス浄化用触媒に関し、ＮＯ−ＣＯ反応においてそれらのＮＯｘ還元能を評価した。具体的には、上で調製した各排ガス浄化用触媒のペレット２．０ｇを流通式反応器にセットし、次いで、評価用モデルガス（ＮＯ：３０００ｐｐｍ、ＣＯ：３０００ｐｐｍ、Ｎ₂バランス）を１０Ｌ／分の流量で触媒床に流しながら、当該触媒床の温度を１００℃から２０℃／分の速度で昇温し、６００℃までのＮＯ浄化率をＦＴ−ＩＲ分析計を用いて測定した。その結果を図１０及び１１に示す。

図１０は、実施例１〜３の各排ガス浄化用触媒に関するＮＯ浄化率を示すグラフである。同様に、図１１は、比較例１〜４の各排ガス浄化用触媒に関するＮＯ浄化率を示すグラフである。図１０及び１１は、横軸に触媒床の温度（℃）を示し、縦軸にＮＯ浄化率（％）を示している。図１０及び１１の結果から明らかなように、Ａｕ−Ｃｏ二元金属粒子を担持した実施例１〜３の排ガス浄化用触媒では、Ｃｏのみを担持した比較例２の各排ガス浄化用触媒と比較して、すべての温度において非常に高いＮＯｘ還元能を達成することができ、４００℃以下、特には３００℃以下の低温領域においても顕著に改善されたＮＯ浄化率を達成することができた。これは、図６及び７等において示したように、金とコバルトを同一の金属粒子内にナノレベルで共存させることで、コバルトの酸化が抑制されたことに起因するものであると考えられる。

同様に、実施例１〜３の排ガス浄化用触媒では、Ａｕのみを担持した比較例１の排ガス浄化用触媒、Ａｕ担持触媒とＣｏ担持触媒を物理混合した比較例３の排ガス浄化用触媒、及びＡｕとＣｏを従来の共含浸法によって担持した比較例４の排ガス浄化用触媒と比較しても、すべての温度において非常に高いＮＯｘ還元能を達成することができた。例えば、実施例２の排ガス浄化用触媒では、３００〜４００℃の低温領域においても７０％を超えるＮＯ浄化率を達成できたのに対し、比較例１〜４の排ガス浄化用触媒では、６００℃の高温下においてもＮＯ浄化率は２０％未満であった。とりわけ、比較例３及び４の排ガス浄化用触媒は、実施例１〜３の排ガス浄化用触媒と同様にＡｕとＣｏの両方の金属元素を触媒成分として含むにもかかわらず、そのＮＯｘ還元能は非常に低いものであった。これは、比較例３及び４の排ガス浄化用触媒では、金とコバルトが同一の金属粒子内においてナノレベルで共存していないために、金によるコバルトの酸化抑制効果を得ることができないことに起因しているものと考えられる。

［活性評価後の触媒の分析］
次に、上記の活性評価後の実施例２及び３並びに比較例２の各排ガス浄化用触媒をＳＴＥＭによって分析した。それらの結果を図１２〜１４に示す。なお、ＳＴＥＭによる分析の手順は先に記載したとおりである。

図１２〜１４は、（ａ）が活性評価後の実施例２及び３並びに比較例２の各排ガス浄化用触媒のＳＴＥＭによる写真を示し、（ｂ）及び（ｃ）はそれらの拡大写真を示している。図１２及び１３を参照すると、実施例２のＡｕ−Ｃｏ／ＳｉＯ₂（Ａｕ平均含有量２５原子％）及び実施例３のＡｕ−Ｃｏ／ＳｉＯ₂（Ａｕ平均含有量１０原子％）では、平均粒径が明らかに１０ｎｍ以下の金属粒子がシリカ担体上に存在していることを確認することができ、また、多くの金属粒子においてその粒径が５ｎｍ以下であった。すなわち、活性評価の前後で金属粒子の粒径に顕著な変化は観察されなかった。また、図１３（ｃ）を参照すると、実施例３のＡｕ−Ｃｏ／ＳｉＯ₂（Ａｕ平均含有量１０原子％）では、金属粒子に関するＳＴＥＭ像のコントラストから、活性評価後も金属粒子がコアシェル構造体として存在していることが示唆された。一方、図１４を参照すると、Ｃｏのみを担持した比較例２のＣｏ／ＳｉＯ₂においても、活性評価の前後で金属粒子の粒径に顕著な変化は観察されなかった。

［活性評価後のＸ線回折による触媒の分析］
次に、活性評価後の実施例２及び比較例２の各排ガス浄化用触媒について、Ｘ線回折（ＸＲＤ）によってそれらの測定を行った。その結果を図１５に示す。なお、具体的な測定条件は先に記載したとおりである。

図１５は、活性評価後の実施例２及び比較例２の各排ガス浄化用触媒に関するＸ線回折パターンを示す図である。なお、図１５には、Ａｕ、Ｃｏ、ＣｏＯ及びＣｏ₃Ｏ₄の各回折ピークに関する文献値を参考として示している。図１５を参照すると、Ｃｏのみを担持した比較例２のＣｏ／ＳｉＯ₂では、２θ＝４２〜４３°付近にＣｏＯに帰属されるブロードな回折ピークが検出された。一方で、実施例２のＡｕ−Ｃｏ／ＳｉＯ₂（Ａｕ平均含有量２５原子％）では、図９と同様に、ｆｃｃ構造に由来する回折ピークのみが検出され、ＣｏＯやＣｏ₃Ｏ₄等のコバルトの酸化物に帰属される回折ピークは全く検出されなかった。図６〜８等において示したＳＴＥＭ−ＥＤＸによる分析結果、図９及び１５において示した活性評価前後のＸ線回折による触媒の分析結果、さらには図１０及び１１において示した実施例１〜３及び比較例１〜４の各排ガス浄化用触媒に関するＮＯ浄化率の結果から、金とコバルトを同一の金属粒子内にナノレベルで共存させることでコバルトの酸化が抑制され、それによってコバルトのＮＯｘ還元活性を向上させることができたと考えられる。

Claims (20)

1. 触媒担体に金とコバルトからなりかつ０ｎｍ超１００ｎｍ以下の平均粒径を有する二元金属粒子を複数担持してなることを特徴とする、排ガス浄化用触媒。
2. 前記排ガス浄化用触媒をエネルギー分散型Ｘ線分析装置付走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ−ＥＤＸ）を用いて電子線のスポット径が１ｎｍ以下の条件下で分析したときに、無作為に選択した５個以上の金属粒子に関する測定点のうち過半数の測定点において、金とコバルトの両方の元素が検出されることを特徴とする、請求項１に記載の排ガス浄化用触媒。
3. 前記排ガス浄化用触媒をエネルギー分散型Ｘ線分析装置付走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ−ＥＤＸ）を用いて電子線のスポット径が１ｎｍ以下の条件下で分析したときに、無作為に選択した１０個以上の金属粒子に関する測定点のうち７０％以上の測定点において、金とコバルトの両方の元素が検出されることを特徴とする、請求項２に記載の排ガス浄化用触媒。
4. 前記二元金属粒子の平均粒径が０ｎｍ超２０ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の排ガス浄化用触媒。
5. 前記二元金属粒子の平均粒径が０ｎｍ超１０ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項４に記載の排ガス浄化用触媒。
6. 前記二元金属粒子中の金の平均含有量が０原子％超７０原子％以下であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の排ガス浄化用触媒。
7. 前記二元金属粒子中の金の平均含有量が５原子％以上５０原子％以下であることを特徴とする、請求項６に記載の排ガス浄化用触媒。
8. 前記二元金属粒子中の金の平均含有量が１０原子％以上２５原子％以下であることを特徴とする、請求項７に記載の排ガス浄化用触媒。
9. 触媒担体に金とコバルトからなりかつ０ｎｍ超１００ｎｍ以下の平均粒径を有する二元金属粒子を複数担持してなる排ガス浄化用触媒の製造方法であって、
   金塩、コバルト塩、溶媒、及び無機還元剤を含む混合溶液を金とコバルトを還元するのに十分な温度において加熱することにより、金とコバルトからなる二元金属粒子を生成する加熱工程、並びに
   生成した二元金属粒子を触媒担体に担持する担持工程
   を含むことを特徴とする、排ガス浄化用触媒の製造方法。
10. 前記排ガス浄化用触媒をエネルギー分散型Ｘ線分析装置付走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ−ＥＤＸ）を用いて電子線のスポット径が１ｎｍ以下の条件下で分析したときに、無作為に選択した５個以上の金属粒子に関する測定点のうち過半数の測定点において、金とコバルトの両方の元素が検出されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. 前記排ガス浄化用触媒をエネルギー分散型Ｘ線分析装置付走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ−ＥＤＸ）を用いて電子線のスポット径が１ｎｍ以下の条件下で分析したときに、無作為に選択した１０個以上の金属粒子に関する測定点のうち７０％以上の測定点において、金とコバルトの両方の元素が検出されることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
12. 前記二元金属粒子の平均粒径が０ｎｍ超２０ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項９〜１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 前記二元金属粒子の平均粒径が０ｎｍ超１０ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
14. 前記加熱工程が９０℃以上２５０℃以下の温度で実施されることを特徴とする、請求項９〜１３のいずれか１項に記載の方法。
15. 前記加熱工程が１００℃超２００℃以下の温度で実施されることを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
16. 前記溶媒が、テトラエチレングリコール、エチレングリコール、ｎ−プロピルアルコール、ｎ−ブチルアルコール、ｓｅｃ−ブチルアルコール、イソブチルアルコール、グリセリン、プロピレングリコール、イソアミルアルコール、ｎ−アミルアルコール、アリルアルコール、２−エトキシアルコール、１，２−ヘキサデカンジオール、ジメチルホルムアミド、及びそれらの組み合わせからなる群より選択されることを特徴とする、請求項９〜１５のいずれか１項に記載の方法。
17. 前記無機還元剤が、水素化ホウ素ナトリウム、アンモニアボラン、ヒドラジン、及びそれらの組み合わせからなる群より選択されることを特徴とする、請求項９〜１６のいずれか１項に記載の方法。
18. 前記無機還元剤が水素化ホウ素ナトリウムであることを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
19. 前記混合溶液が保護剤をさらに含むことを特徴とする、請求項９〜１８のいずれか１項に記載の方法。
20. 前記担持工程の後に還元工程をさらに含むことを特徴とする、請求項９〜１９のいずれか１項に記載の方法。