2014年07月16日09:48
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日本产业技术综合研究所（产综研）开发出了能够使柴油尾气氧化催化剂中的铂（Pt）、钯（Pd）等铂族金属的使用量减半的催化剂（图1）。这种催化剂使用表面多元醇还原法，利用析出而非浸渍的方法来担载催化剂，不仅耐热性更高，而且量产性优异。产综研今后将进行量产试验以及实车评估，使这种尾气净化催化剂投入实用。
表面多元醇还原法（图2）是利用多元醇将贵金属的离子还原成金属的反应，是制造贵金属纳米颗粒的方法之一。此次，产综研开发出了在催化剂载体的表面直接析出由铂、钯等多种贵金属复合而成的纳米颗粒的方法。通过这种方法制成的催化剂的耐热性好，与利用传统的浸渍法制造的催化剂相比，能够大幅减少铂族金属的使用量。
汽车尾气净化催化剂用途占到铂需求的近一半。今后，随着新兴市场国家汽车尾气排放规定的增强，全球汽车数量不断增长，在生产国和生产企业有限的情况下，铂和钯等金属的供应量有可能出现短缺。因此，必须使大量使用铂的柴油氧化催化剂的铂使用量减少。
在日本新能源产业的技术综合开发机构（NEDO）的“稀有金属代替材料开发项目”下，产综研开始进行铂纳米颗粒的应用研究，目的是开发出使柴油氧化催化剂的铂族金属使用量减半的基础技术。
在使用来捕捉尾气中碳微粒的柴油颗粒捕捉器再生时，柴油氧化催化剂会暴露于高温下，这会使作为催化剂的铂颗粒受热发生凝聚（热劣化）。为弥补因此而劣化的催化剂性能，需要使用大量的铂。因此，提高铂颗粒的耐热性是减少铂族金属使用量的关键。
前面提到的NEDO项目前半段的基础研究表明，铂与钯复合而成的纳米颗粒催化剂能够有效提高耐热性。因此，产综研开始面向实用化，开发适合量产的制造工艺。
产综研开发出了可大量制造铂钯纳米颗粒催化剂的工艺——表面多元醇还原法（图3）。具体流程如下：首先在贵金属盐的水溶液中加入少量多元醇还原剂（乙二醇等）制成混合水溶液，再加入催化剂载体Al2O3（氧化铝）粉末进行浸渍，对得到的悬浊液进行加热，得到干燥粉末；然后，在氮气流中加热得到的粉末，在粉末表面残留的多元醇还原剂的作用下，发生还原反应，贵金属盐以贵金属纳米颗粒的形式在载体表面析出；最后，对该粉末高温加热，去除残留的多元醇还原剂等，就制作出了担载贵金属纳米颗粒的催化剂。
在透射电子显微镜（TEM）下观察该催化剂可发现，粒度均匀的铂纳米颗粒（3nm左右）直接析出到了氧化铝粉末的表面（图4）。
产综研开发的这种方法接近传统的实用催化剂制造工艺，能够满足实用化所要求的大量生产。
而且，使用表面多元醇还原法制作的铂钯复合纳米颗粒催化剂不仅可使铂、钯的使用量减半，而且，与利用传统方法制作的催化剂相比，还实现了相同甚至更高的除烃性能（图5）。这是因为，利用表面多元醇还原法制作的铂钯复合纳米颗粒催化剂与浸渍法制造的催化剂相比，在高温下不易发生贵金属颗粒的烧结，贵金属颗粒能够维持催化反应所需的表面积。而耐热性的增加则有两方面的原因，一是铂钯复合纳米颗粒的粒度不易受烧结的影响，二是遏制了铂钯合金化导致的烧结。（作者：浜田基彦，日经技术在线！供稿）
