自動車排ガス浄化触媒って何？

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一般的な話題

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みなさんは触媒(Catalyst)と言ったら何を思い浮かべますか？酸化還元触媒、金属触媒、有機分子触媒、光触媒・・・色々ありますね。化学研究の現場で使用するのはもちろんですが、最近は日常生活にも触媒に関連した商品があります(例えば光触媒商品など)。

では、我々の生活の中で陰ながら大活躍している”自動車排ガス浄化触媒”というのはご存じですか？

自動車排ガス浄化触媒って何？

その名の通り、自動車の排気ガスに含まれている環境や人体に有害な化学物質をきれいに浄化する触媒のことです。ガソリン車の場合は、具体的には以下の反応の促進を行います。

NO + CO (+ HC(炭化水素)) → CO₂ + 1/2N₂

NOはNO_xでとらえておく方が良さそうです。式の左側はエンジンの燃焼によって発生する代表的な化学物質。NO_xは光化学スモッグの原因となりますし、COは人体に悪影響を及ぼすことで有名です。そこで、これらの物質を別の安全な化学物質に変換する必要があります。結果としてNOxをN₂に、COをCO₂に変換します。（CO₂だって環境に悪影響では？という議論はここでは置いておきます。COを排気するよりは安全と考えます）式だけではイメージが湧きにくいので、反応の概略図を引用します。

自動車排ガス浄化触媒の反応 (出典 : 東北大学原子材料科学高等研究機構)

これなら一目で分かるでしょうか？ちなみに真ん中の赤い部分が自動車排ガス浄化触媒です。「三元触媒」というのは3つの有害排気ガス[CO、CH、NO_x]を無害なガス[CO₂、H₂O、N₂]に変える触媒を指します。1番肝の部分となる貴金属触媒の部分には白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)のような白金族元素が使われます。「助触媒」とは貴金属触媒の働きを助け、浄化能を向上させる役割を果たす材料のこと。使用する貴金属触媒との相性が大切ですが、酸化セリウム(CeO₂)は助触媒として広く利用されているようです。

実はこれ、触媒コンバーターという装置の中に入っているものです。車をお持ちの方、車に興味がある方はすでにご存じかもしれませんね。この装置がついていない車だと、国で指定されている排ガス規制をクリアすることは難しいでしょう。

触媒コンバーター (出典 : 住友金属鉱山株式会社)

ちなみに触媒コンバーターのみで別売りにもなっていて、価格を調べてみると1つ3万円前後のようです(価格幅は広い)。高い！と思うかもしれませんが、触媒コンバーターに使用されるのは貴金属ですのでこの値段設定にもうなずけます。さらに、これらの触媒をサポートする材料であるAl₂O₃やCeO₂を使用するのも要因かと思います。とはいえこれらの存在は大変重要で、比表面積の増加や金属との相互作用による排気ガスの浄化能向上などに役立っています。この働きに関してはいまだ分かっていない点も多く、このメカニズムを明らかにしていくことが触媒研究の1つの目的になります。

別売りになっている理由は、触媒コンバーターのみを交換するケースがあるからです。

自動車排ガス浄化触媒の研究事情

反応式だけを見ると非常に簡単な反応に思えるのですが、実態はかなり複雑です。反応機構についても完全には分かっておらず、固体触媒の難しさをひしひしと実感します。

また、COは酸化する方向へ、NO_xは還元する方向へ反応を進行させる必要があるので、反応条件(空燃比)も重要になってきます。空気の割合が多ければ酸化的雰囲気となりますし、燃料の割合が多ければ還元的雰囲気と状況が変わります。この調整がうまくいかないと、COは酸化できたのに、NO_xはほとんど浄化できないなどといった結果が起こります。なかなか気難しい装置だと言えるでしょう。

車に必須の装置であることと関係して企業の研究開発が盛んであること、企業と大学の共同研究も積極的に行われることも特徴でしょうか。