CN102658211A - 摩托车尾气净化金属蜂窝状催化剂及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及摩托车尾气净化金属蜂窝状催化剂及制备方法。所述金属蜂窝状催化剂包括金属蜂窝状载体，金属蜂窝状载体包括壳体和设置在壳体内的芯体，芯体设有沿轴线方向延伸的通气孔，在通气孔的孔壁上涂敷有催化剂涂层，其特征在于：所述壳体内沿轴线方向钎焊有两个芯体，两个芯体之间具有一个缓冲间隙，缓冲间隙的宽度为整个壳体长度的5％～90％。本发明通过具有缓冲间隙的金属蜂窝状载体结构来增加气流的紊乱程度，提高催化剂的转化率；同时通过在催化剂涂层中加入低铈型稀土复合氧化物储氧材料，降低催化剂起燃温度、拓宽催化剂工作窗口及提高催化剂的耐久性；在达到满足相同排放目标的前提下，降低贵金属使用量，节约催化剂成本。

Description

摩托车尾气净化金属蜂窝状催化剂及制备方法
技术领域
本发明属于机动车尾气排放处理技术领域，涉及一种采用催化氧化还原方法净化摩托车尾气的技术，具体是摩拖车尾气净化金属蜂窝状催化剂及制备方法。 
背景技术
我国摩托车工业发展迅猛，自2007年起摩托车产量已经超过2500万台，是全世界第一大摩托车生产国，但摩托车产业发展带来经济效益和便利性的同时，其排放的污染物也成为大气污染源之一，为此我国在2007年颁布了摩托车国III排放标准以控制摩托车尾气污染物的排放。国III与国II排放标准相比，主要有几方面区别：排放限值大幅度降低、测试循环从冷启动开始、排量≥150mL增加了一个EUDC循环以及至少12000km的耐久里程要求。这些区别对摩托车排放控制技术提出了更高的要求，特别是对耐久性的规定，使国III成为世界最为严格的摩托车排放法规之一。目前应对摩托车国III标准的主流技术方案有两种：闭环控制电喷系统+一个或两个三元催化剂；改进型化油器+一个或两个三元催化剂，并配以机前或机后空气补给装置，而无论何种技术方案，都需要加装尾气净化催化剂。尾气净化催化剂尽管能有效降低整车排放，但势必造成整车成本的增加，摩托车整车价格原本相对低廉，这无疑给整车厂带来较大的成本压力。摩托车催化剂成本的高低主要是由催化剂中贵金属成本决定的，贵金属类型有Pt、Pd、PtPd、PtRh、PdRh和PtPdRh等单元、两元和三元的。目前使用较广泛的是含有Pt、Pd和Rh的三元催化剂(Three-Way-Catalyst，简称TWC)。而涂层的改进又能提升贵金属的催化活性和耐久性，因此应通过改进涂层，降低催化剂的起燃温度、拓宽工作窗口及提高催化剂的耐久性，从而减少贵金属的使用量，降低催化剂的成本。 
催化剂发挥作用需要合适的排气气氛条件，而摩托车在驾驶过程中排气气氛条件不断变化波动，因此对于催化剂本身需要拓宽自身的工作窗口，使得催化剂在摩托车的驾驶过程中保持较高催化活性。汽车尾气净化催化剂通过涂层中采用铈基储氧材料来拓宽催化剂的工作窗口。氧化铈由于具有在三价铈和四价铈氧化物之间转换的能力，能够在稀燃和富燃条件下吸收氧和释放氧，因而能一定程度调节排气气氛中的氧含量，使得催化剂在排气气氛条件波动的过程中，保持较高的催化活性，从而有效拓宽催化剂工作窗口，提高催化剂使用性能，但是氧化铈的抗高温性能差，在实际使用过程中容易烧结，Zr4+引入CeO2中形成CeZr固溶体显著提高CeO2的热稳定性和氧储存能力，目前大部分汽车尾气净化催化剂都是采用以CeZr为主要成分的储氧材料。同时为了满足未来更为苛刻的排放法规对催化剂的要求，其他元素如La、Y、Pr、Nd、Sr、Bi等被掺杂进CeZrO中，以进一步提高CeZrO的热稳定性。 
CN 1817447A专利公开了一种低铈型稀土储氧材料及其制备方法，用共沉 淀法制备的低铈型稀土储氧材料，具有良好的结果稳定性，经过1000℃高温老化10h后仍具有大于60m2/g的比表面积，200℃的储氧量仍不低于200μmol/g，可用于汽油车尾气净化催化剂的载体和助剂。 
金属蜂窝状载体由于传热性好、开孔率高、气阻小、抗振动性能好等特点被广泛应用于摩托车尾气净化催化剂的载体。目前摩托车尾气净化催化剂采用的金属蜂窝状载体壳体内只包含一个芯体(图2所示)，芯体设有沿轴线方向延伸的通气孔，催化剂涂层涂敷在通气孔的孔壁上，而摩托车排气空速又很高，这势必导致一部分污染气体不能有效的接触到孔壁上的活性涂层，因而不能使催化剂完全发挥应用。 
也有一些专利(如CN 101629507A，CN 201401209Y，CN 201401210Y，CN 201401212Y，CN 201401208Y，CN 201401215Y，CN 201401218Y，CN201391352Y，CN 201391351Y，CN101629508A，CN 201401214Y)涉及到中间有缓冲间隙金属载体后处理器，但这些专利公开的内容是关于处理柴油车尾气排放的颗粒物后处理器，为了增加对颗粒物的处理效果，此类后处理器中芯体结构为泡沫金属饼或金属丝网饼。而摩托车是以汽油为燃料的机动车，颗粒物不是摩托车尾气排放控制的目标，且摩托车尾气净化催化剂所用载体的芯体也不能使用泡沫金属饼或金属丝网饼，否则会引起背压急剧增大，影响整车动力性，因此以上专利公开的内容无法适用于摩托车尾气净化处理。 
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种摩托车尾气净化金属蜂窝状催化剂及制备方法，其通过具有一个缓冲间隙的金属蜂窝状载体结构来增加气流的紊乱程度，提高催化剂的转化率；同时通过在摩托车尾气净化催化剂涂层中加入低铈型稀土复合氧化物储氧材料，降低催化剂起燃温度、拓宽催化剂工作窗口及提高催化剂的耐久性；从而在达到满足相同排放目标的前提下，降低贵金属使用量，节约催化剂成本。 
按照本发明提供的技术方案：摩托车尾气净化金属蜂窝状催化剂，包括金属蜂窝状载体，金属蜂窝状载体包括壳体和设置在壳体内的芯体，芯体设有沿轴线方向延伸的通气孔，在通气孔的孔壁上涂敷有催化剂涂层，其特征在于：所述壳体内沿轴线方向钎焊有两个芯体，两个芯体之间具有一个缓冲间隙，缓冲间隙的宽度为整个壳体长度的5％～90％。 
作为本发明的进一步改进，所述两个芯体上均设有沿轴线方向延伸的通气孔，芯体上通气孔的密度为50～400目。 
作为本发明的进一步改进，所述两个芯体的卷制方式为同心圆型或S型，且两个芯体的卷制方式相同。 
作为本发明的进一步改进，所述金属蜂窝状载体的壳体材料为SUS444或SUS441，芯体材料为0Cr21Al6。 
作为本发明的进一步改进，所述催化剂涂层的成分包括γ-Al2O3、低铈型稀土复合氧化物和稀土氧化物。 
作为本发明的进一步改进，所述涂层中，γ-Al2O3的重量份数为10～40份， 低铈型稀土复合氧化物的重量份数50份，稀土氧化物的重量份数为5～10份。 
作为本发明的进一步改进，所述低铈型稀土复合氧化物为铈锆复合氧化物(CexZryO2)，所述稀土氧化物为氧化镧。 
作为本发明的进一步改进，所述铈锆复合氧化物中的CeO2的重量百分比为10％～40％。 
摩拖车尾气净化金属蜂窝状催化剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤： 
(1)金属蜂窝状载体的制作：将两个芯体沿壳体的轴线方向钎焊在壳体内，两个芯体之间留有一个缓冲间隙，缓冲间隙的宽度为整个壳体长度的5％～90％； 
(2)金属蜂窝状载体的预处理：用高压气枪载体吹扫金属蜂窝状载体，以去掉芯体上的灰尘，将金属蜂窝状载体放入焙烧设备中，在400℃～700℃的空气气氛中焙烧处理2～6h，以去掉残留油渍，形成金属氧化物薄膜； 
(3)催化剂涂层用浆液的制备：将定量的低铈型稀土复合氧化物与γ-Al2O3和氧化镧混合，加入适量去离子水至浆液呈悬浮状态，搅拌2h后，对浆液进行球磨，控制浆液颗粒度D90为5～60微米，加入贵金属溶液，继续搅拌2h，加入硝酸和去离子水，调整浆液的固含量为20％～40％，PH值为1～7； 
(4)催化剂涂层的制作：将步骤(3)制备的浆液喷涂到金属蜂窝状载体内部，然后真空抽吸，去掉多余的浆液；然后将负载了浆液的金属蜂窝状载体在100℃～200℃的条件烘干处理6～12h，自然冷却后，再在400～600℃条件下焙烧2～4h，得到摩托车尾气净化金属蜂窝状催化剂。 
本发明与现有技术相比，优点在于：本发明通过采用具有一个缓冲结构的金属蜂窝状载体，增加了气流的紊乱程度，从而增加气流与催化剂涂层的接触效率，提高尾气在催化剂上的转化效率。同时由于在涂层中增加了一定量的低铈型稀土复合氧化物作为摩托车尾气净化剂的储氧材料，提高了催化剂的工作窗口与催化剂的耐久性，提高了催化剂活性，降低了催化剂成本。 
附图说明
图1为本发明摩拖车尾气净化金属蜂窝状催化剂的结构示意图。 
图2为图1的侧视图。 
图3为对比实施例1的结构示意图。 
图4为图3的侧视图。 
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。 
实施例1： 
(1)金属蜂窝状载体的制作：将两个芯体2沿壳体1的轴线方向钎焊在壳体1内，两个芯体2之间留有一个缓冲间隙3(如图1、2所示)；壳体1材料选用耐高温和耐腐蚀的SUS444不锈钢材料，芯体2材料选用牌号为0Cr21Al6的FeCrAl合金材料，金属蜂窝状载体外形尺寸为Φ42*100*80，即壳体1外径为42mm，壳体1长度为100mm，两个芯体2的长度都为40mm，两个芯体2的外端距离壳体1两端都为5mm，两个芯体2之间的距离为10mm，芯体2上的通 气孔密度为300目； 
(2)金属蜂窝状载体的预处理：用高压气枪载体吹扫金属蜂窝状载体，以去掉芯体2上的灰尘，将金属蜂窝状载体放入焙烧设备中，在600℃的空气气氛中焙烧处理4h，以去掉残留油渍，形成金属氧化物薄膜； 
(3)催化剂涂层用浆液的制备：将500g的CeO2含量为40％的铈锆复合氧化物、400g的氧化铝(γ-Al2O3)和100g的氧化镧混合，加入适量去离子水至浆液呈悬浮状态，搅拌2h后，对浆液进行球磨，控制浆液颗粒度D90为30微米，加入贵金属溶液，继续搅拌2h，加入硝酸和去离子水，调整浆液的固含量为30％，pH值为4； 
(4)催化剂涂层的制作：用涂敷专用机将步骤(3)制备的浆液喷涂到金属蜂窝状载体内部，然后真空抽吸，去掉多余的浆液；然后将负载了浆液的金属蜂窝状载体在120℃的条件烘干处理10h，自然冷却后，再在600℃条件下焙烧2h，得到摩托车尾气净化金属蜂窝状催化剂。 
实施例2： 
(1)金属蜂窝状载体的制作：将两个芯体2沿壳体1的轴线方向钎焊在壳体1内，两个芯体2之间留有一个缓冲间隙3(如图1、2所示)；壳体1材料选用耐高温和耐腐蚀的SUS441不锈钢材料，芯体2材料选用牌号为0Cr21Al6的FeCrAl合金材料，金属蜂窝状载体外形尺寸为Φ42*100*80，即壳体1外径为42mm，壳体1长度为100mm，两个芯体2的长度都为30mm，两个芯体2的外端距离壳体1两端都为5mm，两个芯体2之间的距离为30mm，芯体2上的通气孔密度为100目； 
(2)金属蜂窝状载体的预处理：用高压气枪载体吹扫金属蜂窝状载体，以去掉芯体2上的灰尘，将金属蜂窝状载体放入焙烧设备中，在400℃的空气气氛中焙烧处理6h，以去掉残留油渍，形成金属氧化物薄膜； 
(3)催化剂涂层用浆液的制备：将300g的CeO2含量为10％的铈锆复合氧化物、200g的氧化铝(γ-Al2O3)和100g的氧化镧混合，加入适量去离子水至浆液呈悬浮状态，搅拌2h后，对浆液进行球磨，控制浆液颗粒度D90为5微米，加入贵金属溶液，继续搅拌2h，加入硝酸和去离子水，调整浆液的固含量为20％，PH值为1； 
(4)催化剂涂层的制作：用涂敷专用机将步骤(3)制备的浆液喷涂到金属蜂窝状载体内部，然后真空抽吸，去掉多余的浆液；然后将负载了浆液的金属蜂窝状载体在100℃的条件烘干处理12h，自然冷却后，再在400℃条件下焙烧4h，得到摩托车尾气净化金属蜂窝状催化剂。 
实施例3： 
(1)金属蜂窝状载体的制作：将两个芯体2沿壳体1的轴线方向钎焊在壳体1内，两个芯体2之间留有一个缓冲间隙3(如图1、2所示)；壳体1材料选用耐高温和耐腐蚀的SUS444不锈钢材料，芯体2材料选用牌号为0Cr21Al6的FeCrAl合金材料，金属蜂窝状载体外形尺寸为Φ42*100*80，即壳体1外径为42mm，壳体1长度为100mm，两个芯体2的长度都为20mm，两个芯体2的外 端距离壳体1两端都为5mm，两个芯体2之间的距离为50mm，芯体2上的通气孔密度为400目； 
(2)金属蜂窝状载体的预处理：用高压气枪载体吹扫金属蜂窝状载体，以去掉芯体2上的灰尘，将金属蜂窝状载体放入焙烧设备中，在700℃的空气气氛中焙烧处理2h，以去掉残留油渍，形成金属氧化物薄膜； 
(3)催化剂涂层用浆液的制备：将300g的CeO2含量为25％的铈锆复合氧化物、300g的氧化铝(γ-Al2O3)和100g的氧化镧混合，加入适量去离子水至浆液呈悬浮状态，搅拌2h后，对浆液进行球磨，控制浆液颗粒度D90为60微米，加入贵金属溶液，继续搅拌2h，加入硝酸和去离子水，调整浆液的固含量为40％，PH值为7； 
(4)催化剂涂层的制作：用涂敷专用机将步骤(3)制备的浆液喷涂到金属蜂窝状载体内部，然后真空抽吸，去掉多余的浆液；然后将负载了浆液的金属蜂窝状载体在200℃的条件烘干处理6h，自然冷却后，再在600℃条件下焙烧2h，得到摩托车尾气净化金属蜂窝状催化剂。 
对比实施例1： 
制备摩托车尾气净化金属蜂窝状催化剂：具体制备方法与实施例1相同，催化剂载体壳体1、芯体2材质、通气孔密度以及催化剂涂层成分与实施例1相同，区别仅在于壳体1内只有一个芯体2，芯体2的长度为90mm(如图3、图4所示)。 
对比实施例2 
制备摩托车尾气净化金属蜂窝状催化剂：具体制备方法与实施例1相同，催化剂载体壳体1、芯体2材质、芯体2结构以及通气孔密度与实施例1相同，区别仅在于作为储氧材料的是CeO2含量为70％的铈锆复合氧化物，其他原材料种类及涂层中所有组分的含量不变。 
催化剂老化性能对比测试： 
(1)采用高温水热老化方法将催化剂老化，将实施例1～3、对比实施例1及对比实施例2放入水热老化装置的炉膛中央部位，控制纯净水水温恒温，保持水蒸气持续稳定的进入炉膛，加热炉膛从室温升温至1050℃，保温5h，停止加热，自然冷却至室温。取出实施例1～3、对比实施例1及对比实施例2的老化催化剂备用。 
(2)催化剂净化性能实验： 
净化采用电喷+单只催化剂的尾气净化技术路线，将上述的老化催化剂分别封装于某款电喷125cc踏板车进行尾气净化实验，最终的净化效果如表1所示。 
表1： 
  尾气成分   CO(g/km)   HC(g/km)   NOx(g/km)
  实施例1   1.41   0.27   0.11
  实施例2   1.38   0.23   0.10
  实施例3   1.55   0.31   0.12
  对比实施例1   1.82   0.31   0.14
  对比实施例2   2.14   0.57   0.16
由表1可知，实施例1的老化催化剂对CO、HC和NOx的净化效果明显高于对比实施例1的净化效果，而两者的区别仅在于载体结构的不同，说明采用具有缓冲间隙3的金属蜂窝状载体催化剂能提高催化剂的活性。
实施例1的老化催化剂对CO、HC和NOx的净化效果明显高于对比实施例2的净化效果，而两者的区别仅在于储氧材料的不同，说明采用低铈型稀土复合氧化物作为储氧材料有助于提高催化剂的耐久性。 
综上可知，在满足同样排放目标和耐久要求下，具有缓冲间隙3的摩托车尾气净化金属蜂窝状催化剂能降低贵金属的使用量，从而降低催化剂的成本。 

Claims (9)

1.摩托车尾气净化金属蜂窝状催化剂，包括金属蜂窝状载体，金属蜂窝状载体包括壳体(1)和设置在壳体(1)内的芯体(2)，芯体(2)设有沿轴线方向延伸的通气孔，在通气孔的孔壁上涂敷有催化剂涂层，其特征在于：所述壳体(1)内沿轴线方向钎焊有两个芯体(2)，两个芯体(2)之间具有一个缓冲间隙(3)，缓冲间隙(3)的宽度为整个壳体(1)长度的5％～90％。
2.如权利要求1所述的摩托车尾气净化金属蜂窝状催化剂，其特征在于：所述两个芯体(2)上均设有沿轴线方向延伸的通气孔，芯体(2)上通气孔的密度为50～400目。
3.如权利要求1所述的摩托车尾气净化金属蜂窝状催化剂，其特征在于：所述两个芯体(2)的卷制方式为同心圆型或S型，且两个芯体(2)的卷制方式相同。
4.如权利要求1所述的摩托车尾气净化金属蜂窝状催化剂，其特征在于：所述金属蜂窝状载体的壳体(1)材料为SUS444或SUS441，芯体(2)材料为0Cr21Al6。
5.如权利要求1所述的摩托车尾气净化金属蜂窝状催化剂，其特征在于：所述催化剂涂层的成分包括γ-Al2O3、低铈型稀土复合氧化物和稀土氧化物。
6.如权利要求5所述的摩托车尾气净化金属蜂窝状催化剂，其特征在于：所述涂层中，γ-Al2O3的重量份数为10～40份，低铈型稀土复合氧化物的重量份数50份，稀土氧化物的重量份数为5～10份。
7.如权利要求6所述的摩托车尾气净化金属蜂窝状催化剂，其特征在于：所述低铈型稀土复合氧化物为铈锆复合氧化物(CexZryO2)，所述稀土氧化物为氧化镧。
8.如权利要求7所述的摩托车尾气净化金属蜂窝状催化剂，其特征在于：所述铈锆复合氧化物中的CeO2的重量百分比为10％～40％。
9.摩拖车尾气净化金属蜂窝状催化剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)金属蜂窝状载体的制作：将两个芯体(2)沿壳体(1)的轴线方向钎焊在壳体(1)内，两个芯体(2)之间留有一个缓冲间隙(3)，缓冲间隙(3)的宽度为整个壳体(1)长度的5％～90％；
(2)金属蜂窝状载体的预处理：用高压气枪载体吹扫金属蜂窝状载体，以去掉芯体(2)上的灰尘，将金属蜂窝状载体放入焙烧设备中，在400℃～700℃的空气气氛中焙烧处理2～6h，以去掉残留油渍，形成金属氧化物薄膜；
(3)催化剂涂层用浆液的制备：将定量的低铈型稀土复合氧化物与γ-Al2O3和氧化镧混合，加入适量去离子水至浆液呈悬浮状态，搅拌2h后，对浆液进行球磨，控制浆液颗粒度D90为5～60微米，加入贵金属溶液，继续搅拌2h，加入硝酸和去离子水，调整浆液的固含量为20％～40％，PH值为1～7；
(4)催化剂涂层的制作：将步骤(3)制备的浆液喷涂到金属蜂窝状载体内部，然后真空抽吸，去掉多余的浆液；然后将负载了浆液的金属蜂窝状载体在100℃～200℃的条件烘干处理6～12h，自然冷却后，再在400～600℃条件下焙烧2～4h，得到摩托车尾气净化金属蜂窝状催化剂。
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