CN101443121A - 用于排气处理的具有分散的催化剂布置的基体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有一总表面积(7)的基体(1)，所述总表面积(7)包括至少一个带催化作用涂层(2)的涂层部分(8)，所述催化作用涂层(2)包含至少一种催化剂元素(32)，所述催化剂元素分散设置在基体(1)的表面(35)上，其中：催化剂元素(32)沿表面具有至少3微米的平均间距(34)，表面(35)具有2至10微米的平均粗糙度RZ，基体(1)与具有光滑和未涂覆表面(35)的基体相比具有最多25％的压力损失增量。

Description

用于排气处理的具有分散的催化剂布置的基体
技术领域
本发明涉及一种用于起催化作用的涂层的基体。这种基体特别用于汽车中的排气处理。
背景技术
除了其它表现形式外，这种基体特别设计成由至少一个至少部分形成构造的不透气材料的层构成。从而存在大量最小横截面为0.5mm2的流动路径，其中至少多数流动路径做得带有到至少一个相邻流动路径的多个通路。这种基体对于包含在排气中的污染物质的转化方面的效率受很多不同因素的影响。两个主要要求是污染物质向起催化作用的涂层的有效的物质传输和由于排气流过基体而在排气流内产生的小的背压。已经发现，为了以希望的背压更好地传输物质，必须控制排气在基体内的流动机理。这里已证实，在通路或流动路径内部的湍流导致物质传输显著增加。通过形成湍流造成比其它基体高一个数量级的物质传输系数。
为了进一步提高排气处理的效率，可以在催化剂中实现从一个通道到其它通道的部分排气流之间的径向横向交换，从而可以有效利用迄今未利用的表面。例如通过穿孔的金属薄板可实现这种流动平衡。不管是光滑薄板还是波纹薄板都可以具有大直径、特别是大于通道的直径的孔。通过这些孔使通道壁中断并造成各部分排气流之间的希望的相互作用。
但是，在基体内部对于排气的改变的流动状况导致用来转化污染物质的化学反应方面的条件的变化。已经发现，尽管排气和涂层表面之间的物质传输显著改善，却并不总能实现希望的净化作用或转化率。
发明内容
因此，本发明的目的是至少部分地解决对于现有技术所提到的问题。特别是要提供一种基体，其涂层适应于在基体内部的湍流条件，并可以使排气中的污染物质更有效地转化。此外，还要提供一种用来制造涂覆的催化剂基体的方法，该方法可实现特别一均匀的涂层，以便后者在操作时对排气的流动特性只有很小的影响。
这些目的用根据权利要求1所述特征的基体和具有权利要求17所述特征的方法实现。本发明的有利的改进和结构特别在各从属权利要求中给出。应该指出，在权利要求中单独列出的特征可以按技术上适宜的任何方式相互组合，并表示本发明的另一些方案。
本发明的基体具有包括至少一个带催化作用涂层的涂层部分的总基体表面积，并包括至少一种催化剂元素，它们分散设置在基体表面上，其中：
-催化剂元素具有沿表面至少3微米[μm]的平均间距，
-表面具有2至10微米[μm]的平均粗糙度RZ，
-所述基体与具有光滑和未涂覆表面的基体相比具有最多25％的压力损失增量。
在基体的构造方面可以采用多种不同的方案。例如，可以形成气体可流动通过且具有规定数量和位置的流动路径的整体结构；但是，整体结构也可以做得具有例如泡末形式的随机的(杂乱的)空腔结构。通常气流穿透基体，在一侧流入而在(不同的)一侧流出。气流通过界定流动路径和/或空腔结构的材料表面。总基体表面积包括流动路径的这些壁的表面和内部的材料表面，并基本上与基体的所谓的“几何表面积”(GSA)一致。
总基体表面积的至少一部分被涂覆。也可以设置多个(不同的)涂层部分。术语“催化剂元素”特别用于描述可对应于一平均尺寸的颗粒状结构。催化剂元素的外部构型可根据应用场合选择，优选采用近似球状构型。现在这些催化剂元素分散设置在表面上(即，总基体表面积的设置在涂层部分中的部分)，这主要意味着不应在整个面积上存在连续的涂层。相反，催化剂元素至少部分、优选完全单粒地涂覆在表面上。
按照本发明，催化剂元素在表面上设置成使得它们沿表面具有至少3μm、优选在3至9μm范围内的平均间距。关于平均间距应该注意：该术语首先是指在涂层部分的一代表性区域内存在的平均值。此外，该间距是沿表面的数据，不是一孤立的距离。这里沿表面的平均间距等于排气流从一个催化剂元素沿表面流到相邻催化剂元素必须走过的路程。根据催化剂元素的大小不同，平均间距应该至少在催化剂元素尺寸(1×D)至催化剂元素尺寸(D)的20倍(20×D)的范围内。由此特别是避免在高温环境条件下分散分布的催化剂元素熔合在一起，从而减小催化作用表面积。
为了特别有效地防止催化剂元素的这种熔合，还要求表面具有2至10μm、特别是3至6μm的平均粗糙度RZ。平均粗糙度RZ至少涉及到涂层部分的一代表性区域，并在适当时涉及到整个表面。在轧制表面时特别是考虑沿轧制方向的平均粗糙度。平均粗糙度RZ是指多个(通常为5个)粗糙度的算术平均值，所述粗糙度是在粗糙轮廓各个测量区段内在最高点和最低点处的两条平行线之间的间距。在这种粗糙轮廓中，借助于粗糙尖峰提供阻挡，它首先可以造成催化剂元素的优选的位置，但特别是防止催化剂元素熔合，并同时使催化剂元素外表面的大部分可供表面上的有效的化学反应使用。这里，特别希望至少在涂层部分内存在粗糙轮廓的均匀构型。
为此，还要求基体比具有光滑和未涂覆表面的基体相比具有最多25％、特别是最多15％的压力损失增量。这还可以指粗糙度RZ基本上做得统一地具有小的容差，使得即使基体在长时间使用后在涂层部分内仍可以保持均匀的转化特性。但是，此外还确保流动路径的水力直径由于形成了粗糙轮廓而减小成使得不利地影响到排气的(特别是湍流)流动特性。因此，这特别表明，粗糙轮廓的形成被限制在非常靠近壁的区域内。
光滑或未涂覆表面特别是指所采用的材料的表面质量，它通常具有在最多1μm(光滑)范围内的平均粗糙度RZ(沿轧制方向)。作为基准，可以使用至少一个具有一这种表面的基体。为了确定压力损失增量，使温度为900℃的排气以550kg/h的质量流量流过基准基体或具有一光滑或未涂覆表面的基体，这时在被测排气系统内在基体下游的压力为1.25bar。现在确定在基体上的压降，例如对于由金属薄板制成的长度为118mm、直径为110mm、通道密度为400cpsi(每平方英寸的单元数)的蜂窝体类型的基体，得到的压力损失为约69mbar。为了测试本发明的表面构型，对具有要求的粗糙轮廓的同样的基体进行上述过程；这时由于粗糙轮廓和/或涂层的存在，可以测得较大的压降。但是，这里出现的压降的增量应被限制在最多25％的范围内，这意味着，在超过这个限度时，例如应该设置更均匀的粗糙轮廓和/或更小的涂层厚度。
在本发明的范围内，已经发现，在特别地能够影响内部气体湍流流动的基体的情况下，由于缓慢的物质传输(扩散)，不再到达通常设置在涂层较深区域内的催化剂元素。因此力求在表面上涂抹催化剂元素。为此，通过要求催化剂元素按一定间距设置来确保催化剂元素与待净化的排气流之间的足够大的持久存在的接触面积——粗糙轮廓构成对催化剂元素之间接触的阻挡。由此可以例如有效地防止催化剂元素在使用期间在其形状方面改变而使得相邻催化剂元素相互结合，这将导致催化剂元素的平均尺寸显著改变，造成催化剂元素的体积与表面积的较为不利的比率，从而降低催化剂基体的效率。这里对它采取防止措施。
此外有利的是，催化剂元素按每平方米0.2至2.0克[g/m2]的量设置在总基体表面积上。总基体表面积的0.2至2.0g/m2[克每平方米]的量特别针对汽车内燃机的排气处理设计，例如用来净化汽油或柴油排气。对于贵金属催化剂铂，极其特别优选0.4至0.8g/m2的范围。如果负载量选得较小，在待净化的排气的成分不利时，在某些情况下可能发生污染物质转化不充分。在负载量超过规定范围时，贵金属催化剂可能相互叠置，这不会使催化作用增加，而仅仅增加制造成本。
优选采用包括贵金属催化剂的催化剂元素类型，所述贵金属催化剂从由铂、钯、铑组成的组中选取。特别是在这种催化剂元素时，催化剂元素的平均尺寸优选在5至10纳米[nm]范围内。
按照起催化作用的涂层的基体的一优选的改进，所述基体用至少一个至少部分形成构造的不透气材料的层构成，使得存在大量具有0.5平方毫米[mm2]最小横截面的流动路径，其中至少大多数流动路径做得带有多个通向至少一条相邻流动路径的通路。
因此，基体优选是所谓的蜂窝体，其流动路径用大量基本上直的相互平行设置的通道构成。这些流动路径或通道可以用一个或多个不透气材料的层构成。这里可以设置完全形成构造的和/或完全光滑的层，但是也可以使用部分形成构造的混合层。对于不透气材料应该注意，它通常是耐高温和耐腐蚀的材料。这里既可以采用(非多孔的)陶瓷、例如金属氧化物，也可以采用满足所述条件的金属。
此外应注意，流动路径具有为0.5mm2的最小横截面。这特别是指，它们不是微孔和/或不确定、杂乱分布的流动路径，而是基本能清楚地相互区分边界的流动路径。特别优选地采用最小为0.8mm2、甚至为1.0mm2的最小横截面。此外应该注意，该最小横截面涉及流动路径整个长度上的平均值，其中不考虑使最小横截面局部减小的内部配件(凹陷、导向叶片等)。这里，最小横截面优选涉及流动路径的不存在内部配件、导向面、变窄的流动路径等的直线区域。
此外，多数流动路径具有多个通向至少一条相邻流动路径的通路。有利地，所有流动路径配备多个通路。所述通路可以实现与紧密相邻的流动路径的连接——例如通过在层本身中形成通路，从而允许排气向紧邻的流动路径流动。但是，可选择地或另外地，也可以通过层的纯粹变形形成通路，此时，例如紧密相邻的通道可翘起并进入下一个流动路径。通路有这样的功能，即，使沿优选的主流动方向流过基体的排气偏转和产生涡流，使排气和部分排气流可以多次改变流动路径。
这里还建议，总基体表面积的至少一个涂层部分配备催化作用涂层。涂层部分可以是层的一部分，但是优选地整个基体在其轴向长度的一部分上具有这种涂层部分。换句话说，所有流动路径在一长度部分内(相对于基体在其轴向长度的同一部分内)配备涂层。例如可以设想，使涂层部分从基体端侧起在例如最多30mm或只有20mm的深度上是有催化作用的。但是也可以例如使整个总基体表面积做得具有催化作用涂层。
根据基体的另一种结构，它具有总基体表面积的至少一个涂层部分，该涂层部分配备涂层厚度最多为15微米[μm]的催化作用涂层。已经发现，用于排气中污染物质转化的通常的扩散过程由于在基体内部的湍流流动而不再按通常的方式方法进行。涂层厚度的显著减小一方面造成流动路径的水力直径增加，从而造成排气流过基体时的较小的压力损失。另一方面，现在涂层可能做得在表面附近具有适应的催化作用区域的分布，使得可以进一步改善在那里的污染物质的催化转化。根据应用场合或按照流动路径类型和/或排气组成，涂层厚度还可以显著减小，例如减小到最多8μm或最多1μm。
按照基体的一种有利的改进，仅在具有最多1微米[μm]边界层厚度的表面边界层内设置至少一种贵金属催化剂，所述贵金属催化剂从由铂、钯和铑组成的组中选取。换句话说，贵金属催化剂实际上仅仅设置在涂层表面上。边界层厚度可有利地做得更小，例如最多0.1μm。因此，对表面边界层厚度的限制表明了表面边界层多么具有活性，从而避免了在(无活性的)内部掺入贵金属催化剂。
按照基体的一种改进，涂层包括一多孔的存储层，其中，在至少一个涂层部分内设置在5至30克每平方米[g/m2]之间的存储层。特别优选在10至20g/m2范围内。多孔的存储层特别是提供了氧气储存能力，它例如通过所谓的镀层(washcoat)[包含Al2O3]或铈的氧化物[CeO]实现。特别地，如果待净化的排气只具有少量的氧气，则采用这种存储层，以便存储该成分以用于存储层内的化学反应。这种存储层有利地具有最多为10μm[微米]、优选仅为6μm的涂层厚度，并在适当时基本上不含贵金属催化剂。对于要处理柴油机排气的情况，建议采用包括作为碳氢化合物的存储物质的沸石的存储层，而在汽油发动机的情况下建议采用氧气存储器(铈/锆的氧化物)。
设置两个以上的层可能是有利的——例如一带相互间有规定间距的贵金属催化剂的表面边界层、一适合应用场合的存储层和一设置在它们之间的阻挡层，这防止了在表面层和存储层内的排气成分的不希望的相互作用。
应该指出，涂层本身的结构、即涂层成分的布置和构型可能关系重大，因此认为涂层借助于所谓的微观技术和/或纳米技术积累或涂抹在基体上是有利的。微观技术(也称为微型构造技术)涉及用来制造尺寸在微米范围内(0.1μm-1000μm)的物体和几何结构。纳米技术例如用作涉及制造小于100纳米[nm]的物体和结构的范围广泛的技术的综合概念。用这些方法能以更有目的和确定的方式形成涂层。
按照基体的一种改进，流动路径至少部分地用金属丝织物界定。极其特别优选地采用这样的结构，即，在这种结构中，基体用规定数量的完全形成构造的层和相应数量的由金属丝制成的织物构成，其中形成构造的层和织物相互交替设置。这里，层的构造和织物一起构成流动路径的边界或壁。鉴于层由不透气材料制成的事实，例如可以通过使用形成构造的层使流动路径横截面缩小来影响对流过流动路径的部分气流的过滤，它促使部分气流至少部分地进入织物或者甚至穿过那里。鉴于基体的各个部件通常经受非常大的热应力和动态应力的事实，不管是层还是织物都由相同的材料制成是有利的。应明确指出，这里“织物”的概念应被理解成不同类型的金属丝复合物——随意布置的、织造织物、针织织物、非织造的等——的总的概念，其中它们可以相互钩结、焊接、钎焊、烧结等在一起。
根据这个观点还建议，至少一个至少部分形成构造的层包括一不锈钢薄板。这特别是指包括按重量计约18-22％的铬、按重量计约4.5-6％的铝、按重量计在约0.04至0.08％之间的钛、镱和锆的添加物以及作为基本材料的铁的金属薄板。这种耐高温和耐腐蚀的材料已经被证明适用于汽车领域中使用的已知的催化剂基体。
在这样小的涂层厚度时，为了保证基体的长的使用寿命，如果涂层可靠地固定在不锈钢薄板和/或织物上则是有利的。因此还建议，至少金属丝或不锈钢薄板在至少一涂层部分内具有一在2至6μm[微米]范围内的粗糙度Rz。对于例如在不锈钢薄板或金属丝上设置存储层的情况，粗糙度优选在2至3μm的范围内。如果要省去这种存储层且催化剂要直接分配在金属丝和/或不锈钢薄板表面上，那么金属丝和/或不锈钢薄板的粗糙度在3至6μm范围内。
这里金属丝或不锈钢薄板包含铝作为一组成部分，它在至少一个涂层部分内形成表面氧化物，则特别有利。优选地不管是金属丝还是不锈钢薄板都在表面上形成有铝的氧化物。这特别是指，不锈钢薄板或金属丝经过热处理，使得由金属中的铝在表面上形成铝的氧化物。
例如对于下述不锈钢薄板可以通过如下方式得到合适的表面氧化物(如特别是所谓的γ-或θ-Al2O3)，即，对于具有50μm[微米]厚度的不锈钢薄板在900℃下在空气中或在925℃下在由氩和按重量计4％的H2和按重量计7％的H2O组成的混合气体中处理70小时。试验不锈钢薄板在一种情况下是“铁铬合金(Fecralloy)”材料(Fe按重量计72.3％；Cr按重量计22.0％；Al按重量计5.10％；Si按重量计0.42％；Hf按重量计少于0.01％；Mg按重量计0.003％；Mn按重量计0.10％；Ti按重量计0.051％；Y按重量计0.074％；Zr按重量计0.077％；C按重量计0.048％；S按重量计少于0.001％；N按重量计0.0180％；O按重量计0.0160％)或者是“含钇、铪合金元素的铁铬铝钢(Aluchrom YHf)”(Fe按重量计72.0％；Cr按重量计20.5％；Al按重量计5.39％；Si按重量计0.29％；Hf按重量计0.026％；Mg按重量计0.008％；Mn按重量计0.12％；Ti按重量计0.005％；Y按重量计0.041％；Zr按重量计0.055％；C按重量计0.035％；S按重量计0.002％；N按重量计0.0034％；O按重量计0.0086％)。在形成表面氧化物之后涂覆贵金属催化剂。
按照基体的另一种优选结构，至少一种贵金属催化剂直接涂覆在至少金属丝或不锈钢薄板上，所述贵金属催化剂选自由铂、钯和铑组成的组中。优选地，贵金属催化剂基本上均匀地涂在金属丝或不锈钢薄板上。在此时不设置存储层。因此总体上得到例如小于30nm[纳米]、特别是在0.5至20nm范围内的涂层高度。
此外，为了保证在基体的流动路径中的流动尽可能紊乱，建议各流动路径具有一长度，在该长度上具有以最多20mm重复间隔的通路。换句话说，至少每20mm、有利地甚至至多每10mm设置一通向相邻流动路径的通路。特别优选地在相接连的重复间隔内实现偏转或与不同的相邻流动路径的交叉混合。
原则上，如果在各流动路径内设置足够数量的大的通路，它们例如在基体工作时不会被堵塞，那么对于实现湍流流动便足够了。但是特别优选采用这种结构，即，通路的至少一部分配设伸入流动路径内的导向面。这些导向面例如可以通过层中在通路周围(相邻)区域内的冲压结构或凹陷构成。关于导向面的伸入程度，有利地，导向面阻塞流动路径的最小横截面的例如约50-80％，从而对流过的排气产生相应的动压力。由此强制部分排气流穿过在前的通路和/或织物。
根据基体的一种改进结构，通路至少部分地由位于至少一个层中的孔形成，所述孔具有至少25平方毫米[mm2]的孔横截面。孔横截面至少为50mm2的结构特别优选。对于孔例如做成圆形的情况，优选采用直径为至少8mm[毫米]的孔。这些大的孔在多个流动路径的壁上以规定间隔延伸，使得相邻的壁同时开启并能实现横向流动。此外，排气在流过孔边缘时向孔偏转，这造成部分气流进一步分开。在孔横截面加大时这种效果更好。
此外还建议，层的至少一半做得带有孔，其中对于各层的开孔横截面之和至少相当于封闭的层表面的30％。例如如果基体用光滑和波纹层做成，则这种结构特别优选，其中特别是光滑层做得具有孔，波纹层提供带导向面或凹陷的通路。至少30％的封闭的层表面做得带有孔是为了说明每个层应设置多少个这种孔。特别是在大应力的基体时或者为了保证有足够的表面积用于涂覆催化作用涂层，开孔横截面之和不应该超过封闭的层表面的50％。这里封闭的层表面特别是指不设置孔时层的表面积。
特别优选采用这样的基体，即，其中的流动路径设计成使得流过的气体在流动路径长度的至少80％上是湍流。这里优选基体的大多数、特别优选全部流动路径相应地设计。已经证实，采用本发明的涂层特别适合于这种特别是湍流的气流。
根据本发明的另一方面，提出了一种用来制造具有一包含至少一个带催化作用涂层的涂层部分的总表面积的基体的方法，它至少包括以下步骤：
a)提供一具有光滑表面的基体；
b)在规定环境条件下确定基体的压力损失；
c)形成一具有在2至10微米范围内的平均粗糙度RZ的表面，其中基体经历最多25％的压力损失增量；
d)将催化剂元素设置成使得它们分散地沿表面以至少3微米的平均间距布置。
该方法特别适合于用来制造本发明的上述基体，在这方面始终可以参考上面的说明以用于进一步解释。
步骤a)特别包括提供金属蜂窝体，它用至少一个至少部分形成构造的薄板构成。步骤b)特别按上面已经说明过的方式进行。在进行步骤c)之前，可以至少部分地重新拆开基体和/或与其它部件组合。此外，特别是在步骤a)、c)和/或步骤d)中，可以对基体进行热处理(氧化、加热等等)和/或接合(焊接、钎焊、粘结等)。在开始步骤d)之前也可以重复步骤b)和c)，直至出现希望的压力损失增量。但是仍应注意，特别是在这种基体的批量生产的情况下，不一定需要进行步骤b)；在边界条件不变的情况下，可以假设基体从步骤a)开始始终具有相同的压力损失，从步骤c)开始始终具有相同的压力损失增量，因此不必再单独确定这些特征变量。
如果步骤c)包括至少一个下列过程，则这种方法特别优选：
c1)机加工表面；
c2)形成表面氧化物；
c3)涂覆表面；
c4)通过纳米技术将材料涂在表面(35)上。
在某些情况下，进行这些过程中的至少两个可能是有利的，此时，这些过程也可以在工艺流程的不同时刻进行。
过程c1)包括例如表面的刮擦处理(磨、刮等)；步骤c2)特别涉及形成铝的氧化物，如上面已经说明过的那样。因此，过程c1)和c2)是与改变基体本身的基本材料的粗糙轮廓有关的主要加工步骤，而过程c3)和c4)涉及(相同的)添加材料的涂覆。在后面所述的过程中，可以采用对排气催化转化已知的涂覆过程，或者可选择地，可以使用上述微观技术或纳米技术的涂覆方法。
在按本发明所述的和/或按本发明制造的基体的工业适用性方面，特别参考例如与汽车相结合的排气处理单元。因此，本发明也提出了一种相应的排气处理单元和具有至少一个这种排气处理单元的汽车。
附图说明
下面借助于附图详细说明本发明及其技术背景。附图表示本发明特别优选的实施方案，但本发明并不局限于这些实施方案。在附图中：
图1是用于本发明的基体的一种实施方案的层3的透视图。
图2是基体1的另一种实施方案的端视图。
图3是带涂层的层的第一实施例。
图4是带涂层的层的第二实施例。
图5是带涂层的层的第三实施例。
图6是流动路径的一种实施方案。
图7是本发明的基体的又一实施方案的局部透视图。
图8是带有排气处理单元的汽车。
图9是催化剂元素在表面上的分散分布的示意图。
图10是催化剂元素在表面上的分散分布的另一示意图。
具体实施方式
图1以透视图表示了具有至少部分地界定了流动路径4的波纹结构的层3的第一实施方案。这里流动路径4具有一长度19，在所示实施方案中提供了基本为直线的平行定向的流动路径4。在构成层3的波纹不锈钢薄板17中按可预先确定的重复间隔20设置通路6。如借助于中间所示的流动路径4所表示的那样，这些通路6允许排气转移到其它流动路径4中，即可以仅越过向上或向下压的导向面21也可以经由穿过层3的相邻的开口。在更详细考察用箭头表示的流动路径4时，显然，排气流接触设置在流动路径4内的导向面21，这使流动路径的最小横截面显著变窄。由于由此造成的动压力，使处于流动路径4内的部分排气流的大部分向上偏转，其中在这个位置优选设置由金属丝制成的织物(这里未示出)，然后它过滤和净化流过其中的排气。但是动压力只积累到排气能够偏转为止。这可以借助于在左面示出的虚线箭头看出。此外应该注意，导向面11不完全封闭流动路径4，使得在那里还可以形成旁路流(图1右面的虚线箭头)。
特别是这种具有设置在上面或下面的金属丝织物的装置也称为旁路流过滤器，因为部分排气流在各情况下具有流经各导向面的可能性。但是，最终希望导向面设置成使得“统计地”全部排气至少一次穿过过滤介质。这种旁路流过滤器的特别的优点是，它具有非常小的压力损失。它同时可实现相当可观的转化和过滤率。
图2表示基体1的一种实施方案，其中许多光滑和形成构造的层3相互S形卷曲并装在一壳体27内。层3由光滑不锈钢薄板16和波纹不锈钢薄板17构成。在光滑不锈钢薄板和波纹不锈钢薄板之间形成基本上相互平行延伸的通道或流动路径4。通过不锈钢薄板16、17构成的流动路径4的边界总体构成总基体表面积7，或者也称为“GSA(几何表面积)”。
图3示意表示在层3上的涂层2的第一实施方案。涂层2总共具有最多10μm的涂层厚度9。它由外面的直接与排气接触且具有最多1μm边界层厚度12的表面边界层11构成。基本上所有贵金属催化剂10都设置在这个表面边界层11内。此外在表面边界层11和层3之间设置多孔的存储层13。这个存储层可以例如用γ-Al2O3(镀层)或由γ-Al2O3和CeO及其它氧化物的混合物构成，此时其层厚相应地选择成较小。
图4表示涂层2的另一示例性实施例，其中层3用光滑不锈钢薄板16构成，它具有相应含量的铝。借助于在光滑不锈钢薄板16中存在的铝——适当时用后续添加的铝作代替或补充——通过相应的热处理形成表面氧化物18。表面氧化物18例如提高了光滑不锈钢薄板16的粗糙度，使贵金属催化剂10可持久地附着。
在图5中贵金属催化剂10直接涂在层3上。因此表面边界层11的边界层厚度12(即特别是设置贵金属催化剂10的涂层)或涂层总厚度9被限制在几纳米内。此时在涂层部分或层表面24上的贵金属催化剂10优选地均匀分布。这里在层3中还表示了具有大的孔横截面23的孔22，由此允许了通过层3的流体交换。
在图3至5中同时还表示了各贵金贵催化剂10之间的要求的间距34。
图6中以局部示意图表示了流动路径4的一种实施方案。这里基体由交替设置的织物14和波纹不锈钢薄板17构成。流动路径4做得具有至少为0.5mm2的最小横截面5(划阴影线)。在确定最小横截面5时，不考虑伸入流动路径4内的导向面21，而是采用该部位的总横截面，如同存在于流动路径的大的分区域中的那样。
织物14包括例如做得粗细为15至50μm[微米]的金属丝15。织物有利地具有200至1000g/m2[克/平方米]的面重量和0.1至0.5mm[毫米]之间的高度。单根金属丝15相互焊接，在织物14和波纹不锈钢薄板17之间有利地设置相应的或类似的接合点。用来促使流过的排气中的污染物质催化转化的贵金属催化剂10直接设置在织物14上或内和波纹不锈钢薄板17上。
图7以局部透示图表示了基体1的另一种结构。基体同样用波纹层3构成，在它们之间设置织物14。层3配备用来控制排气流动的导向面21，排气通常沿主流动方向14流过基体1(夹带的颗粒29也一样)。在这种实施方案中，仅仅在下面表示的波纹层3配备孔22，但是不是强制要求的。设置在它们之间的光滑层包括一复合材料，它包括具有光滑不锈钢薄板16的部分和具有织物14的部分。这两部分有利地通过接合、特别是通过焊接相互连接。由图可以看出，光滑不锈钢薄板16形成一涂层部分8，即在那里设有催化作用材料，在这种实施方案中，织物14做得不带相应的涂层。既可在光滑不锈钢薄板16内也可以在织物14内设置其它一些孔22或通路(未示出)。
图8示意表示了这里所述的基体作为汽车26内的排气处理单元25的特别优选的应用领域。这里在内燃机30中产生的排气通过相应的排气系统31，并在该过程中在其最后经净化排入外界之前例如流过多个具有这种基体的排气处理单元25。除所示应用领域外，这种基体也可以用在固定式燃烧设备、作业机械、手提工具等中。
图9示意表示了在涂层部分8内催化剂元素32在总表面积7上的分散分布的俯视图。催化剂元素32分散分布在基体1的表面上，其中催化剂元素32有利地具有小于10nm的平均尺寸33。它们设置成相互之间的间距34大于催化剂元素32的尺寸33。
图10以另一种方式表示了催化剂元素32的分散设置，它们沿表面35的平均间距34为至少3微米。此外，表面具有约6μm的平均粗糙度RZ，这在该情况下由光滑不锈钢薄板16的表面氧化物18形成。现在根据本发明的粗糙轮廓保证了催化剂元素32相互之间的足够的间距，从而可避免在表面35上的催化剂元素32浓度提高时熔合在一起，并保证排气污染物质的有效转化。此外，除了更好地转化污染物质外，由于涂层材料量的减少，还能实现这种基体在制造成本方面的额外的好处。
附图标记列表：
1 基体                        2 涂层
3 层                          4 流动路径
5 最小横截面                  6 通路
7 总基体表面积                8 涂层部分
9 涂层厚度                    10 贵金属催化剂
11 表面边界层                 12 边界层厚度
13 存储层                     14 织物
15 金属丝                     16 光滑不锈钢薄板
17 波纹不锈钢薄板             18 表面氧化物
19 长度                       20 重复间隔
21 导向面                     22 孔
23 孔横截面                   24 层表面
25 排气处理单元             26 汽车
27 壳体                     28 主流动方向
29 颗粒                     30 内燃机
31 排气系统                 32 催化剂元素
33 尺寸                     34 间距
35 表面                     Rz 平均粗糙度

Claims (20)

1.具有总表面积(7)的基体(1)，所述总表面积包括至少一个带催化作用涂层(2)的涂层部分(8)，所述催化作用涂层包含至少一种催化剂元素(32)，所述催化剂元素分散设置在基体(1)的表面(35)上，其中：
-催化剂元素(32)沿表面具有至少为3微米的平均间距(34)，
-表面(35)具有2至10微米的平均粗糙度Rz，以及
-基体(1)与具有光滑和未涂覆表面(35)的基体相比具有最多25％的压力损失增量。
2.按权利要求1的基体(1)，其特征在于，所述催化剂元素(32)按0.2至2.0克每平方米的总基体表面积(7)的量设置。
3.按权利要求1或2的基体(1)，其特征在于，所述催化剂元素(32)包含从由铂、钯、铑组成的组中选取的贵金属催化剂(10)。
4.按上述权利要求之任一项的基体(1)，其特征在于，所述催化剂元素(32)的平均尺寸(33)在5至10纳米范围内。
5.按上述权利要求之任一项的基体(1)，构造成具有至少一个至少部分形成构造的不透气材料的层(3)，使得存在大量具有0.5平方毫米的最小横截面(5)的流动路径(4)，其中，至少多数流动路径(4)做得具有多个通向至少一条相邻流动路径(4)的通路(6)。
6.按上述权利要求之任一项的基体(1)，其特征在于，所述总基体表面积(7)的至少一个涂层部分(8)具有一催化作用涂层(2)，该催化作用涂层具有至多15微米的涂层厚度(9)。
7.按上述权利要求之任一项的基体(1)，其特征在于，仅在具有最多1微米边界层厚度(12)的表面边界层(11)中设置至少一种贵金属催化剂(10)，所述贵金属催化剂从由铂、钯和铑组成的组中选取。
8.按上述权利要求之任一项的基体(1)，其特征在于，所述涂层(2)包括一多孔的存储层(13)，其中，在所述至少一个涂层部分(8)中设置5至30克每平方米的存储层。
9.按上述权利要求之任一项的基体(1)，其特征在于，所述流动路径(4)至少部分地用由金属丝(15)制成的织物(14)界定。
10.按上述权利要求之任一项的基体(1)，其特征在于，所述至少一个至少部分形成构造的层(2)包括不锈钢薄板(16、17)。
11.按权利要求9或10的基体(1)，其特征在于，至少所述金属丝(15)或不锈钢薄板(16、17)在所述至少一个涂层部分(8)中具有在2至6微米范围内的粗糙度RZ。
12.按权利要求9至11的基体(1)，其特征在于，至少所述金属丝(15)或不锈钢薄板(16、17)包括作为组成部分的铝，所述铝在所述至少一个涂层部分(8)中形成表面氧化物(18)。
13.按权利要求9至12之任一项的基体(1)，其特征在于，至少一种贵金属催化剂(10)直接涂覆在至少所述金属丝(15)或不锈钢薄板(16、17)上，所述贵金属催化剂从由铂、钯和铑组成的组中选取。
14.按上述权利要求之任一项的基体(1)，其特征在于，各流动路径(4)具有一长度(19)，在该长度(19)上以最大20毫米的重复间隔(20)设置通路(6)。
15.按上述权利要求之任一项的基体(1)，其特征在于，通路(6)中的至少一些配设伸入流动路径(4)的导向面(21)。
16.按上述权利要求之任一项的基体(1)，其特征在于，流动路径(4)构造成使得流过其中的气体在流动路径(4)的长度(19)的至少80％上是湍流。
17.用来制造具有总表面积(7)的基体(1)的方法，所述总表面积包括至少一个带催化作用涂层(2)的涂层部分(8)，所述方法至少包括以下步骤：
a)提供一具有光滑表面(35)的基体(1)；
b)在规定环境条件下确定基体(1)的压力损失；
c)形成具有在2至10微米范围内的平均粗糙度RZ的表面(35)，基体(1)得到最多25％的压力损失增量；
d)设置催化剂元素(32)使得它们沿表面以至少3微米的平均间距(34)分散布置。
18.按权利要求17的方法，其特征在于，步骤c)至少包括以下过程之一：
c1)机加工表面(35)，
c2)形成表面氧化物(34)，
c3)涂覆表面(35)，
c4)借助于纳米技术将材料涂覆在表面(35)上。
19.具有至少一个按权利要求1至16之一所述的或按权利要求17或18的方法制造的基体(1)的排气处理单元(25)。
20.具有至少一个按权利要求19的排气处理单元(25)的汽车(26)。
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