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具有进一步改善的老化稳定性的双层三元催化剂的制作方法

2022-07-31 01:39:20 来源:中国专利 TAG:
具有进一步改善的老化稳定性的双层三元催化剂
1.描述
2.本发明涉及一种三元催化剂,该三元催化剂由布置在彼此顶部上的两个催化活性层构成,并且该三元催化剂适于清洁来自内燃机的废气。
3.三元催化剂用于清洁来自大体上化学计量操作的内燃机的废气。在化学计量操作中,进料到发动机的空气的量恰好对应于燃料完全燃烧所需的量。在这种情况下,空气燃料比λ(也称为空气比)恰好是1。大约λ=1的三元催化剂能够同时将烃类、一氧化碳和氮氧化物转化为无害的组分。
4.通常,铂族金属用作催化活性材料,特别是铂、钯和铑,它们例如存在于作为载体材料的γ氧化铝上。此外,三元催化剂含有储氧材料,例如铈/锆混合氧化物。在后一种情况下,氧化铈(一种稀土金属氧化物)构成氧储存的基本组分。除了氧化锆和氧化铈之外,这些材料还可含有附加组分,诸如另外的稀土金属氧化物或碱土金属氧化物。储氧材料通过施加催化活性材料(诸如铂族金属)而被活化,并因此也用作铂族金属的载体材料。
5.三元催化剂的组分可以以单一涂层存在于惰性催化剂载体上;参见,例如ep1541220b1。
6.然而,常常使用的是双层催化剂,它有利于不同催化过程的分离,并因此实现两个层中的催化效应的最佳协调。后一种类型的催化剂在例如wo95/35152a1、wo2008/000449a2、ep0885650a2、ep1046423a2、ep1726359a1和ep1974809b1中公开。
7.ep1974809b1公开了在两层中均含有铈/锆混合氧化物的双层三元催化剂,其中顶层中的铈/锆混合氧化物的锆比例相应地高于底层中的锆比例。
8.ep1900416b1描述了双层三元催化剂,该双层三元催化剂在两层中均含有铈、锆和钕的混合氧化物,并且另外地,在底层中含有铈/锆/钇/镧氧化物-氧化铝颗粒。
9.ep1726359a1描述了双层三元催化剂,该双层三元催化剂在两层中均含有锆含量大于80mol%的铈/锆/镧/钕混合氧化物,其中顶层中的铈/锆/镧/钕混合氧化物的锆比例可以相应地高于底层中的锆比例。
10.wo2008/000449a2还公开了在两层中均含有铈/锆混合氧化物的双层催化剂,并且其中顶层中的混合氧化物再次具有较高比例的锆。在某种程度上,铈/锆混合氧化物也可以被铈/锆/镧/钕混合氧化物或铈/锆/镧/钇混合氧化物替代。
11.wo2009/012348a1甚至描述了三层催化剂,其中仅中间层和顶层含有储氧材料。
12.ep3045226a1公开了具有改善的老化稳定性的双层三元催化剂,其中直接位于催化剂载体上的层a含有至少一种铂族金属,以及一种铈/锆/re金属混合氧化物,并且施加在层a上并与废气流直接接触的层b含有至少一种铂族金属,以及铈/锆/re金属混合氧化物,其中re代表除铈之外的稀土金属,其特征在于层a的铈/锆/re金属混合氧化物中的re金属氧化物的比例小于层b的铈/锆/re金属混合氧化物中的re金属氧化物的比例。
13.对内燃机排放减少的不断增加的需求需要催化剂的持续进一步开发。在欧洲,耐久性要求已经随着法规阶段euro 5增加到160,000km。美国甚至具有高达150,000英里的耐久性要求。
14.因此,催化剂的老化稳定性变得甚至更重要。老化后活性的关键标准,一方面是催化剂用于转化污染物的启动温度,并且另一方面是催化剂的动态转化能力。对于污染物的启动温度指示如下的温度,自此温度起该污染物将被转化超过例如50%。这些温度越低,污染物在冷启动后转化越快。在全负载下,可以在电机输出处直接出现高达1050℃的废气温度。催化剂的温度稳定性越好,它就能被布置得越接近发动机。这也改善了冷启动后的废气清洁。
15.由于欧洲6c阶段在2017年9月生效,因此欧洲排放法规已经规定了在真实驾驶条件下的废气测量(real driving emissions rde)。取决于驾驶条件,这可能意味着催化剂将必须满足更高的需求,特别是关于一氧化碳和氮氧化物的动态转化。
16.目标是在所有驾驶条件下维持化学计量的废气,特别地甚至在高速下。要避免的是用于降低废气温度的燃料混合物的先前常规富集,因为这导致高co排放并增加燃料损耗。然而,通过避免富集,废气温度(催化剂以高速暴露于该温度)继续上升。这些进一步增加的需求必须通过催化剂来应对。同样出于此原因,必须进一步提高三元催化剂的老化稳定性。
17.根据前述现有技术的催化剂已经在老化后的启动温度和动态转化能力方面具有非常好的特性。然而,法律要求的提高使得寻求甚至更好的催化剂成为必要。
18.出于此原因,本发明的目的是提供一种催化剂,该催化剂由于其进一步增加的温度稳定性,与现有技术的催化剂相比,在老化后具有甚至更低的启动温度和改善的动态转化能力。
19.令人惊讶的是,据发现,随着老化要求的提高,如果将稀土元素以及另外任选地铂族金属(作为储氧材料的组分存在)以特定方式分布在双层三元催化剂的两个层上,则可以解决这个问题。
20.因此,本发明的主题是在惰性催化剂载体上包含两个层的催化剂,其中层a至少含有钯作为铂族金属,以及铈/锆/镧/钇混合氧化物,并且施加于层a的层b至少含有铑作为铂族金属,以及铈/锆/镧/钇混合氧化物。在层a和层b两者中,基于铈/锆/镧/钇混合氧化物,氧化镧含量介于1重量%与5重量%之间,并且基于铈/锆/镧/钇混合氧化物,氧化钇含量介于8重量%与20重量%之间。
21.优选的实施方案的特征在于,基于铈/锆/镧/钇混合氧化物,层a和层b两者中的氧化钇含量介于10重量%与15重量%之间。特别优选的是介于12重量%与13重量%之间的氧化钇含量。如实施例中所示,尽管老化程度加大,但是可以由此实现较低的启动温度,这最终导致在动态驾驶期间更少的排放。
22.根据本发明,层a至少含有钯作为铂族金属,并且层b至少含有铑作为铂族金属。在本发明的实施方案中,层a和/或层b彼此独立,另外含有铂作为另外的铂族金属。层a优选地含有钯和铂,并且层b优选地含有铑和铂或铑和钯和铂。在本发明的另一个实施方案中,根据本发明的催化剂不含铂。特别优选地,层a仅含有钯,并且层b仅含有铑或层b仅含有钯和铑。
23.铈/锆/镧/钇混合氧化物可用作层a中和/或层b中的铂族金属的载体材料。此外,然而,在层a中和/或层b中的铂族金属也可以全部或部分地被支撑在活性氧化铝上。
24.因此,在本发明的一个优选实施方案中,层a和层b含有活性氧化铝。特别优选的
是,通过掺杂、尤其是掺杂有氧化镧来使活性氧化铝稳定。优选的活性氧化铝含有0.5重量%至6重量%、特别地3重量%至5重量%的氧化镧(la2o3)。
25.术语“活性氧化铝”是本领域技术人员已知的。具体地讲,它描述了比表面积为100m2/g至200m2/g的γ氧化铝。活性氧化铝经常在文献中描述并且可商购获得。
26.在本发明的含义内,术语“铈/锆/镧/钇混合氧化物”不包括氧化铈、氧化锆、氧化镧和氧化钇的物理混合物。相反,“铈/锆/镧/钇混合氧化物”的特征在于理想地不含纯氧化铈、氧化锆或氧化镧和氧化钇的相的大体上均匀的三维晶体结构。然而,取决于制造工艺,可能会产生不完全均匀的产品,该产品通常能够毫无缺点地使用。
27.根据本发明,铈/锆/镧/钇混合氧化物中氧化铈与氧化锆的比率可以有很大变化。在层a中,该比率为例如0.1至1.0,优选地0.2至0.7,甚至更优选地0.3至0.5。在层b中,该比率为例如0.1至1.0,优选地0.2至0.7,甚至更优选地0.3至0.5。特别地,本发明的铈/锆/镧/钇混合氧化物在其晶体结构中不含有氧化铝。
28.在本发明的实施方案中,一个层或两个层均含有碱土金属化合物,诸如氧化钡或硫酸钡。优选的实施方案在层a中含有硫酸钡。硫酸钡的量具体地相对于惰性催化剂载体的体积计为5g/l到20g/l。
29.在本发明的另一个实施方案中,一个层或两个层均另外含有添加剂,诸如稀土化合物,诸如氧化镧,和/或粘结剂,诸如铝化合物。这些添加剂的用量可以在宽限值内变化,并且本领域技术人员可以在特定情况下通过简单的方式来确定。
30.在本发明的另一个实施方案中,层a直接位于惰性催化剂载体上,即惰性催化剂载体与层a之间没有附加层或没有内涂层。在本发明的另一个实施方案中,层b与废气流直接接触,即层b上没有附加层或没有罩面层。
31.在本发明的另一个实施方案中,根据本发明的催化剂由惰性催化剂载体上的层a和层b组成。这意味着层a直接位于惰性催化剂载体上,层b与废气流直接接触,并且不存在其它层。
32.由陶瓷或金属制成的具有体积v的、具有用于内燃机废气的平行流动通道的蜂窝结构主体特别地适合作为催化惰性的催化剂载体。它们可以是所谓的流通式蜂窝结构主体或壁流式过滤器。特别是在壁流式过滤器的情况下,根据本发明的催化涂层可以完全位于壁流式过滤器的壁上、部分或完全位于壁流式过滤器的壁中。
33.根据本发明,流动通道的壁区域涂覆有两个催化剂层a和层b。为了用层a涂覆催化剂载体,将提供用于该层的固体混悬于水中,并且在壁上和/或壁中将催化剂载体任选地用由此获得的涂层悬浮液涂覆。用涂层悬浮液重复该过程,其中将为层b提供的固体悬浮于水中。
34.优选地,沿惰性催化剂载体的整个长度涂覆层a和层b。这意味着层b完全覆盖层a,因此,只有层b与废气流直接接触。然而,也可以使用分区涂层变体,然而,其中层a至少部分地被层b覆盖。
实施例:
35.在以下实施例1和在比较例1中,双层催化剂是通过两次涂覆由陶瓷制成的流通式蜂窝结构主体来制备,该流通式蜂窝结构主体每cm2具有93个蜂窝,并且壁厚为0.11mm,以
及直径尺寸为10.6cm,且长度为11.4cm,。为此,制备两种不同的悬浮液分别用于层a和层b。首先将载体以用于层a的悬浮液进行涂覆,并且随后在550℃在空气中煅烧4小时。随后,将涂覆有层a的载体以用于层b的悬浮液进行涂覆,并且随后在与层a相同的条件下煅烧。
36.实施例1
37.通过首先制备两种悬浮液来制备双层催化剂。用于层a的第一悬浮液的组成(基于催化剂载体的体积计)为:具有4重量%的la2o3的66g/l的稳定化活性氧化铝;具有24重量%的ceo2、60重量%的zro2、3.5重量%的la2o3和12.5重量%的y2o3的66g/l的铈/锆/镧/钇混合氧化物;16g/lbaso4;1.413g/l pd。
38.用于层b的第二悬浮液的组成(基于催化剂载体的体积计)为:具有4重量%的la2o3的60g/l的稳定化活性氧化铝;具有24重量%的ceo2、60重量%的zro2、3.5重量%的la2o3和12.5重量%的y2o3的47g/l的铈/锆/镧/钇混合氧化物;0.177g/l rh。
39.比较例1(根据ep3045226a1)
40.类似于实施例1制备双层催化剂。用于层a的第一悬浮液的组成为:具有4重量%的la2o3的66g/l的稳定化活性氧化铝;具有25重量%的ceo2、67.5重量%的zro2、3.5重量%的la2o3和4重量%的y2o3的66g/l的铈/锆/镧/钇混合氧化物;16g/l baso4;1.143g/l pd。
41.用于层b的第二悬浮液的组成为:具有4重量%的la2o3的60g/l的稳定化活性氧化铝;具有24重量%的ceo2、60重量%的zro2、3.5重量%的la2o3和12.5重量%的y2o3的47g/l的铈/锆/镧/钇混合氧化物;0.177g/lrh。
42.实施例1和比较例1在发动机测试台老化过程中老化。在每种情况下,将两种类似的催化剂相继暴露于热废气中。该老化过程包括在催化剂输入之前废气温度为950℃的超限截止老化过程。这导致第一催化剂(cc1)中1100℃的最高床温和第二催化剂(cc2)中1040℃的最高床温。老化时间为100小时。
43.随后,使用发动机测试台来测试恒定平均空气比λ处的启动性能,以及λ变化时的动态转化。
44.表1含有温度t
50
,在每种情况下在这些温度处转化所考虑组分的50%。在此,确定具有化学计量的废气组成的启动性能(λ=0.999,并且振幅为
±
3.4%)。
[0045] 化学计量的t
50 hc化学计量的t
50 co化学计量的t
50 nox比较例1cc1476》500℃》500℃实施例1cc1428464452比较例1cc2404410412实施例1cc2364362363
[0046]
在510℃的恒定温度下,在0.99至1.01的λ范围内确定动态转化性能。在这种情况下,λ的振幅为
±
3.4%。表2含有co和nox转化曲线的交点处的转化率以及相关的hc转化率。
[0047] 交点处的co/nox转化率co/nox交点的λ处的hc转化率比较例1cc146%81%实施例1cc160%86%比较例1cc274.5%91实施例1cc293%94.5
[0048]
根据本发明的实施例1示出老化后在启动性能和动态co/nox转化方面的显著改善。
再多了解一些

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