CN101528345A - 废气净化用催化剂 - Google Patents

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Abstract

本发明可实现高废气净化效率。废气净化用催化剂(1)含有：基体(2)；储氧层(3)，覆盖基体(2)且含有储氧材料；以及催化剂层(4)，覆盖储氧层(3)，含有钯、铑及负载它们的载体，并且与储氧层(3)相比贵金属密度高。

Description

废气净化用催化剂
技术领域
本发明涉及废气净化用催化剂，尤其涉及含有储氧材料的废气净化用催化剂。
背景技术
以往，作为处理汽车等的废气的废气净化用催化剂，广泛使用在由氧化铝等无机氧化物构成的耐热性载体上负载贵金属的三元催化剂。在该三元催化剂中，贵金属起到促进氮氧化物(NOx)的还原反应及一氧化碳(CO)和烃(HC)的氧化反应的作用。另外，耐热性载体起到增大贵金属的比表面积以及使反应产生的热量消散从而抑制贵金属的烧结的作用。
日本特开平1-281144号公报、日本特开平9-155192号公报以及日本特开平9-221304号公报中，记载了使用氧化铈或含有铈和其它金属元素的氧化物的废气净化用催化剂。该氧化物是具有储氧能力的储氧材料。在三元催化剂中使用储氧材料时，能使上述还原反应及氧化反应最佳化。但是，如下所述，即使是使用了储氧材料的三元催化剂，在发动机刚起动后的状态和使发动机连续运转的状态两种状态下，也很难实现良好的性能。
在发动机刚起动后的状态下，催化剂的温度低。与在高温条件下贵金属净化废气的能力相比，在低温条件下贵金属净化废气的能力低。因此，如果考虑发动机刚起动后的性能，减小废气净化用催化剂的热容量，例如减少贵金属、储氧材料的使用量是有利的。
另一方面，在使发动机连续运转的状态下，催化剂的温度非常高。此时，由于贵金属净化废气的能力高，为了应付废气组成的变动，废气净化用催化剂含有更多的储氧材料是有利的。
由此可知，发动机刚起动后的性能与使发动机连续地运转的状态下的性能是二律背反的关系。因此，难以在发动机刚起动后的状态和使发动机连续地运转的状态这两种状态下实现良好的性能，因此，通常难以实现高废气净化效率。
发明内容
本发明的目的在于实现高废气净化效率。
根据本发明的一个方面，本发明提供一种废气净化用催化剂，其具有：基体；储氧层，覆盖所述基体且含有储氧材料；以及催化剂层，覆盖所述储氧层，含有钯、铑及负载它们的载体，并且与所述储氧层相比贵金属密度高。
附图说明
图1是示意性地表示本发明的一个方式的废气净化用催化剂的透视图。
图2是示意性地表示图1所示的废气净化用催化剂可采用的结构的一例的剖面图。
图3是示意性地表示图1所示的废气净化用催化剂可采用的其它结构的剖面图。
图4是示意性地表示图1所示的废气净化用催化剂可采用的其它结构的剖面图。
图5是示意性地表示图1所示的废气净化用催化剂可采用的其它结构的剖面图。
图6是示意性地表示图1所示的废气净化用催化剂可采用的其它结构的剖面图。
具体实施方式
以下，对本发明的方式进行说明。
图1是示意性地表示本发明的一个方式的废气净化用催化剂的透视图。图2是示意性地表示图1所示的废气净化用催化剂可采用的结构的一例的剖面图。
图1及图2所示的废气净化用催化剂1是整体式催化剂。该废气净化用催化剂1含有整体式蜂窝状基体等基体2。基体2典型地为由堇青石等陶瓷制成。
在基体2的隔壁上形成有储氧层3。储氧层3含有耐热性载体和储氧材料。
与储氧材料相比，耐热性载体热稳定性优良。作为耐热性载体的材料，例如可以使用氧化铝、氧化锆或二氧化钛。
储氧材料例如为氧化铈、氧化铈与其它金属氧化物的复合氧化物和/或固溶体、或者它们的混合物。作为复合氧化物和/或固溶体，例如可以使用氧化铈与氧化锆的复合氧化物和/或固溶体。
储氧层3还可以含有铂、铑及钯等贵金属。通常，与储氧层3不含贵金属时相比，储氧层3的储氧能力在储氧层3含有少量的贵金属时高。
储氧层3还可以含有钡等碱土金属的氧化物、镧、钕、镨及钇等稀土元素的氧化物、或者它们的混合物。上述氧化物可以与氧化铈等其它的氧化物形成复合氧化物和/或固溶体。
储氧材料3上形成有催化剂层4。催化剂层4含有耐热性载体、储氧材料、钯及铑。在图2的例中，催化剂层4是第一催化剂层4a与第二催化剂层4b的层压体。
第一催化剂层4a介于储氧层3与第二催化剂层4b之间。第一催化剂层4a含有耐热性载体、储氧材料和钯。
第二催化剂层4b覆盖第一催化剂层4a。第二催化剂层4b含有耐热性载体、储氧材料和铑。
第一催化剂层4a与第二催化剂层4b相比钯密度高。第二催化剂层4b与第一催化剂层4a相比铑密度高。例如，第一催化剂层4a实质上不含铑，第二催化剂4b实质上不含钯。
耐热性载体与储氧材料相比热稳定性优良。作为催化剂层4所含的耐热性载体的材料，例如可以使用说明储氧层3时所列举的物质。第一催化剂层4a所含的耐热性载体与第二催化剂层4b所含的耐热性载体可以相同，也可以不同。
作为催化剂层4所含的储氧材料的材料，例如可以使用说明储氧层3时所列举的物质。第一催化剂层4a所含的储氧材料与第二催化剂层4b所含的储氧材料可以相同，也可以不同。
在催化剂层4中，耐热性载体和/或储氧材料是负载钯及铑的载体。
储氧层3所含的储氧材料，设为催化剂层4所含的储氧材料的例如75质量％以上。将该质量比设定在上述范围内时，通过少的储氧材料的使用量就能够实现特别高的储氧能力。
催化剂层4还可以含有钯及铑以外的贵金属。例如，催化剂层4还可以含有铂等除钯及铑以外的铂族元素。此时，可以仅由第一催化剂层4a及第二催化剂层4b的一方进一步含有钯及铑以外的贵金属，也可以由其双方都进一步含有钯及铑以外的贵金属。
催化剂层4与储氧层3相比贵金属密度高。在图2的例中，第一催化剂层4a及第二催化剂层4b各自与储氧层3相比贵金属密度高。
通常，催化剂层4与储氧层3相比含有更多的贵金属。催化剂层4所含的贵金属相对于废气净化用催化剂1所含的全部贵金属的比例，例如为80质量％以上。
催化剂层4还可以含有钡等碱土金属的氧化物、镧、钕、镨及钇等稀土元素的氧化物、或者它们的混合物。上述氧化物可以与氧化铈等其它氧化物形成复合氧化物和/或固溶体。并且，上述氧化物可以仅由第一催化剂层4a及第二催化剂层4b的一方含有，也可以由双方含有。
当从该废气净化用催化剂1中省略储氧层3时，必须使催化剂层4承担促进NOx的还原反应及CO和HC的氧化反应的作用、以及储氧两个作用。但是，此时，如果为了减小废气净化用催化剂1的热容量而减小催化剂层4的涂布量，并为了使NOx的还原反应及CO和HC的氧化反应的效率最大化而提高贵金属的密度，则储氧材料的量减少，而且储氧材料的储氧能力降低。其结果是，催化剂层4的储氧能力显著降低，废气净化用催化剂1的废气净化效率大大地依赖于废气的组成。
针对于此，当使储氧层3介于催化剂层4与基体2之间时，可以使催化剂层4主要承担促进NOx的还原反应及CO和HC的氧化反应的作用，而使储氧层3承担至少一部分储氧作用。因此，储氧层3可以采用使储氧材料的储氧能力最大化的设计。因此，即使减小储氧层3的涂布量，也能够充分地实现大的储氧能力。因此，即使减小催化剂层4的涂布量且提高催化剂层4中的钯及铑的密度，也不会导致该废气净化用催化剂1的储氧能力不充分。并且，由于储氧层3介于催化剂层4与基体2之间，因此储氧层3不妨碍催化剂层4与废气的接触。因此，采用该结构，能够在发动机刚起动后的状态和使发动机连续地运转的状态两个状态中实现高废气净化效率。
该废气净化用催化剂1可进行多种变形。
图3至图6是示意性地表示图1所示的废气净化用催化剂可采用的其它结构的剖面图。
图3所示的废气净化用催化剂1，除了第二催化剂层4b介于储氧层3与第一催化剂层4a之间以外，与图2所示的废气净化用催化剂1具有相同的结构。由此可知，第一催化剂层4a与第二催化剂层4b的层压顺序是任意的。
图4所示的废气净化用催化剂1，除了催化剂层4具有单层结构以外，与图2所示的废气净化用催化剂1具有相同的结构。即，在催化剂层4中，钯和铑被大致均匀地混合。由此可知，催化剂层4可以具有单层结构，也可以具有多层结构。
图5所示的废气净化用催化剂1，除了还含有介于基体2与储氧层3之间的烃吸附层5以外，与图2所示的废气净化用催化剂1具有相同的结构。烃吸附层5含有沸石等烃吸附材料。采用该结构与采用图2所示的结构时相比，能够降低HC排放。
图6所示的废气净化用催化剂1，除了储氧层3还含有沸石等烃吸附材料以外，与图2所示的废气净化用催化剂1具有相同的结构。采用该结构与采用图2所示的结构时相比，能够降低HC排放。并且，与采用图5所示的结构时相比，采用图6所示的结构时能够简化废气净化用催化剂1的制造。
另外，在图5及图6所示的废气净化用催化剂1中，催化剂层4可以采用图3或图4所示的结构。即，在图5及图6所示的废气净化用催化剂1中，可以颠倒第一催化剂层4a与第二催化剂层4b的层压顺序，且催化剂层4可以采用单层结构。
以下，对本发明的例进行说明。
(催化剂A的制造)
在本例中，用以下的方法制造图2所示的废气净化用催化剂1。
首先，混合20g的氧化铝粉末、20g的铈锆氧化物粉末和去离子水，并调制成淤浆。以下，称该淤浆为淤浆S1。
然后，将该淤浆S1全部涂布到由堇青石构成的整体式蜂窝状基体2上。在此，使用长度为100mm、容积为1.0L、且每平方英寸设有900个蜂房的整体式蜂窝状基体。将该整体式蜂窝状基体2在250℃下干燥1小时，接着，在500℃下煅烧1小时。由此，在整体式蜂窝状基体2上形成储氧层3。
接下来，混合12.5g的氧化铝粉末、12.5g的铈锆氧化物粉末和含有1.5g钯的硝酸钯水溶液，并调制成淤浆。以下，称该淤浆为淤浆S2。
然后，将该淤浆S1全部涂布到前面的整体式蜂窝状基体2上。将该整体式蜂窝状基体2在250℃下干燥1小时，接着，在500℃下煅烧1小时。由此，在储氧层3上形成第一催化剂层4a。
然后，混合12.5g的氧化铝粉末、12.5g的铈锆氧化物粉末和含有0.5g铑的硝酸铑水溶液，并调制成淤浆。以下，称该淤浆为淤浆S3。
接下来，将该淤浆S3全部涂布到前面的整体式蜂窝状基体2上。将该整体式蜂窝状基体2在250℃下干燥1小时，接着，在500℃下煅烧1小时。由此，在第一催化剂层4a上形成第二催化剂层4b。
如上完成图2所示的废气净化用催化剂1。以下，称该废气净化用催化剂1为催化剂A。
(催化剂B的制造)
在本例中，用以下方法制造图3所示的废气净化用催化剂1。
即，在本例中，除了使用淤浆S3来代替淤浆S2、使用淤浆S2来代替淤浆S3以外，通过与催化剂A的说明中所述的方法相同的方法，制造图3所示的废气净化用催化剂1。以下，称该废气净化用催化剂1为催化剂B。
(催化剂C的制造)
在本例中，用以下方法制造图2所示的废气净化用催化剂1。
混合27g的氧化铝粉末、12.5g的铈锆氧化物粉末和含有1.5g钯的硝酸钯水溶液，并调制成淤浆。以下，称该淤浆为淤浆S4。
另外，混合27g的氧化铝粉末、12.5g的铈锆氧化物粉末和含有0.5g铑的硝酸铑水溶液，并调制成淤浆。以下，称该淤浆为淤浆S5。
在本例中，除了使用淤浆S4来代替淤浆S2、使用淤浆S5来代替淤浆S3以外，通过与催化剂A的说明中所述的方法相同的方法，制造图2所示的废气净化用催化剂1。以下，称该废气净化用催化剂1为催化剂C。
(催化剂D的制造)
在本例中，用以下方法制造图2所示的废气净化用催化剂1。
混合2g的氧化铝粉末、12.5g的铈锆氧化物粉末和含有1.5g钯的硝酸钯水溶液，并调制成淤浆。以下，称该淤浆为淤浆S6。
另外，混合2g的氧化铝粉末、12.5g的铈锆氧化物粉末和含有0.5g铑的硝酸铑水溶液，并调制成淤浆。以下，称该淤浆为淤浆S7。
在本例中，除了使用淤浆S6来代替淤浆S2、使用淤浆S7来代替淤浆S3以外，通过与催化剂A的说明中所述的方法相同的方法，制造图2所示的废气净化用催化剂1。以下，称该废气净化用催化剂1为催化剂D。
(催化剂E的制造)
在本例中，用以下方法制造图2所示的废气净化用催化剂1。
混合21.2g的氧化铝粉末、18.8g的铈锆氧化物粉末和去离子水，并调制成淤浆。以下，称该淤浆为淤浆S8。
在本例中，除了使用淤浆S8来代替淤浆S1以外，通过与催化剂A的说明中所述的方法相同的方法，制造图2所示的废气净化用催化剂1。以下，称该废气净化用催化剂1为催化剂E。
(催化剂F的制造)
在本例中，用以下方法制造图2所示的废气净化用催化剂1。
混合20g的氧化铝粉末、20g的铈锆氧化物粉末、含有0.05g钯的硝酸钯水溶液和含有0.05g铑的硝酸铑水溶液，并调制成淤浆。以下，称该淤浆为淤浆S9。
另外，混合12.5g的氧化铝粉末、12.5g的铈锆氧化物粉末和含有1.45g钯的硝酸钯水溶液，并调制成淤浆。以下，称该淤浆为淤浆S10。
并且，混合12.5g的氧化铝粉末、12.5g的铈锆氧化物粉末和含有0.45g铑的硝酸铑水溶液，并调制成淤浆。以下，称该淤浆为淤浆S11。
在本例中，除了使用淤浆S9来代替淤浆S1、使用淤浆S10来代替淤浆S2、使用淤浆S11来代替淤浆S3以外，通过与催化剂A的说明中所述的方法相同的方法，制造图2所示的废气净化用催化剂1。以下，称该废气净化用催化剂1为催化剂F。
(催化剂G的制造)
在本例中，用以下方法制造图2所示的废气净化用催化剂1。
混合20g的氧化铝粉末、20g的铈锆氧化物粉末、4g硫酸钡粉末、2g碳酸镧粉末和去离子水，并调制成淤浆。以下，称该淤浆为淤浆S 12。
另外，混合12.5g的氧化铝粉末、12.5g的铈锆氧化物粉末、含有1.5g钯的硝酸钯水溶液、2.5g的硫酸钡粉末和1.3g的碳酸镧粉末，并调制成淤浆。以下，称该淤浆为淤浆S13。
并且，混合12.5g的氧化铝粉末、12.5g的铈锆氧化物粉末、含有0.5g铑的硝酸铑水溶液、2.5g的硫酸钡粉末和1.3g的碳酸镧粉末，并调制成淤浆。以下，称该淤浆为淤浆S14。
在本例中，除了使用淤浆S12来代替淤浆S1、使用淤浆S13来代替淤浆S2、使用淤浆S14来代替淤浆S3以外，通过与催化剂A的说明中所述的方法相同的方法，制造图2所示的废气净化用催化剂1。以下，称该废气净化用催化剂1为催化剂G。
(催化剂H的制造)
在本例中，通过以下方法制造图4所示的废气净化用催化剂1。
首先，通过与催化剂A的说明中所述的方法相同的方法，在整体式蜂窝状基体2上形成储氧层3。
然后，混合25g的氧化铝粉末、25g的铈锆氧化物粉末、含有1.5g钯的硝酸钯水溶液和含有0.5g铑的硝酸铑水溶液，并调制成淤浆。以下，称该淤浆为淤浆S15。
接下来，将该淤浆15全部涂布到前面的整体式蜂窝状基体2上。将该整体式蜂窝状基体2在250℃下干燥1小时，接着，在500℃下煅烧1小时。由此，在储氧层3上形成催化剂层4。
如上完成图4所示的废气净化用催化剂1。以下，称该废气净化用催化剂1为催化剂H。
(催化剂I的制造)
在本例中，通过以下方法制造图5所示的废气净化用催化剂1。
首先，混合100g的沸石粉末和去离子水，并调制成淤浆。以下，称该淤浆为淤浆S16。
然后，将该淤浆16全部涂布到与催化剂A的制造中使用的相同的整体式蜂窝状基体2上。将该整体式蜂窝状基体2在250℃下干燥1小时，接着，在500℃下煅烧1小时。由此，在整体式蜂窝状基体2上形成烃吸附层5。
然后，通过与催化剂A的说明中所述的方法相同的方法，在烃吸附层5上依次形成储氧层3、第一催化剂层4a及第二催化剂层4b。
如上完成图5所示的废气净化用催化剂1。以下，称该废气净化用催化剂1为催化剂I。
(催化剂J的制造)
在本例中，用以下方法制造图6所示的废气净化用催化剂1。
混合20g的氧化铝粉末、20g的铈锆氧化物粉末、100g的沸石粉末和去离子水，并调制成淤浆。以下，称该淤浆为淤浆S17。
在本例中，除了使用淤浆S17来代替淤浆S1以外，通过与催化剂A的说明中所述的方法相同的方法制造图6所示的废气净化用催化剂1。以下，称该废气净化用催化剂1为催化剂J。
(催化剂K的制造)
在本例中，用以下方法制造废气净化用催化剂。
混合40g的氧化铝粉末和去离子水，并调制成淤浆。以下，称该淤浆为淤浆S18。
在本例中，除了使用淤浆S18来代替淤浆S1以外，通过与催化剂A的说明中所述的方法相同的方法制造废气净化用催化剂。以下，称该废气净化用催化剂为催化剂K。
(催化剂L的制造)
在本例中，除了没有将淤浆S1涂布到整体式蜂窝状基体上以外，通过与催化剂A的说明中所述的方法相同的方法制造废气净化用催化剂。即，在本例中，省略储氧层。以下，称该废气净化用催化剂为催化剂L。
(试验)
分别将催化剂A至H装载到具有排气量为0.7L的发动机的汽车上。接下来，使各汽车行驶60000km的耐久行驶距离。然后，通过10·15模式法及11模式法，对非甲烷烃(NMHC)、CO及NOx分别测定每1krm行驶距离的排出量。另外，NMHC的排出量是将由碳数等量的容量比表示的值换算成克的值。而且，10·15模式法中得到的测定值乘以88/100，11模式法中得到的测定值乘以12/100，求出它们的和。其结果总结于下表。
[表1]
Figure A20078003893200161
如上表所示，使用催化剂A至J时，与使用催化剂K及L时相比NMHC及NOx排出量分别减少，CO排出量与使用催化剂K及L时相同或在其以下。尤其是使用催化剂A至J时，与使用催化剂K及L时相比，能够大幅地降低NMHC及NOx各自的排出量。
进一步的优化及变形对本领域技术人员来说很容易。因此，本发明包括更广阔的范围，并不限于此处所记载的特定内容及代表性的实施方式。因此，在不超出本发明的保护范围及由其等价物规定的本发明概括性概念的含义或范围的范围内，可进行各种变形。

Claims (13)

1.一种废气净化用催化剂，具有：基体；储氧层，覆盖所述基体且含有储氧材料；和催化剂层，覆盖所述储氧层且含有钯、铑及负载它们的载体，并且与所述储氧层相比贵金属密度高。
2.如权利要求1所述的废气净化用催化剂，其中，所述催化剂层的贵金属含量为所述废气净化用催化剂的贵金属含量的80质量％以上。
3.如权利要求1所述的废气净化用催化剂，其中，所述催化剂层不含储氧材料，或者所述储氧层的储氧材料含量为所述催化剂层的储氧材料含量的75质量％以上。
4.如权利要求1所述的废气净化用催化剂，其中，所述催化剂层还含有碱土金属的氧化物和/或稀土元素的氧化物。
5.如权利要求1所述的废气净化用催化剂，其中，所述催化剂层还含有钡和/或镧的氧化物。
6.如权利要求1所述的废气净化用催化剂，其中，所述储氧材料含有铈。
7.如权利要求1所述的废气净化用催化剂，其中，所述储氧材料含有铈锆氧化物。
8.如权利要求1所述的废气净化用催化剂，其中，所述储氧层还含有烃吸附材料。
9.如权利要求8所述的废气净化用催化剂，其中，所述烃吸附材料含有沸石。
10.如权利要求1所述的废气净化用催化剂，其中，还具有介于所述基体与所述储氧层之间且含有烃吸附材料的烃吸附层。
11.如权利要求10所述的废气净化用催化剂，其中，所述烃吸附材料含有沸石。
12.如权利要求1所述的废气净化用催化剂，其中，所述催化剂层包含第一及第二催化剂层的层压体，所述第一催化剂层与所述第二催化剂层相比钯密度高，所述催化剂层与所述第一催化剂层相比铑密度高。
13.如权利要求1所述的废气净化用催化剂，其中，所述催化剂层具有单层结构。
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