CN104047683A - 一种摩托车尾气催化转化器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种废气净化用的催化转化器,更具体地说涉及一种摩托车尾气催化转化器及其制作方法,该催化器是由基体及涂覆在基体上的催化剂涂层组成,所述催化剂涂层由催化剂载体、储氧材料、催化活性组分和催化剂助剂组成,储氧材料为CexZr(1-x)LaYOm中的一种,或者两种以上的混合物,催化活性组分为Pd、Pt、Rh、Co、Ni的氧化物中的一种,或者两种以上氧化物的混合物,本发明的摩托车尾气催化转化器中的催化剂涂层含有多种负载有相应活性组分的载体及储氧材料,因此活性组分得到充分的分散增加了废气与催化活性组分的接触面,涂覆在基体表面上的催化剂涂层须经过干燥与焙烧处理,本发明提供的摩托车尾气催化转化器具有高活性、高稳定性及耐久性。
Description
技术领域
本发明涉及一种废气净化用的催化转化器,更具体地说涉及摩托车尾气催化转化器,本发明还涉及该种摩托车尾气催化转化器的制作方法。
背景技术
CO、HC和NOx是大气污染的主要污染源,对人体健康和公共环境危害极大,为了消除这一严重污染物,世界各国相继制定了更为严格的排放标准,摩托车尾气净化催化剂作为环境保护用催化剂正得到日益广泛的应用。摩托车尾气催化转化器的工作原理是在催化剂表面进行氧化-还原反应,使有害物质CO、HC和NOx转化成无毒害的CO2、H2O和N2,从而减少对环境的危害。
贵金属Pt、Pd和Rh是摩托车尾气催化转化器的主要活性成分,能同时除去摩托车尾气中HC、CO和NOx三种主要污染物,其中Rh是公认的促进NOx还原为N2的最有效组分,但其昂贵的价格和有限的资源制约了Rh的实际应用,所以研制不含Rh或者含有少量Rh的相对廉价的摩托车尾气催化转化器在国内外受到了充分的关注。全Pd摩托车尾气催化转化器由于其相对较低的价格而被认为是一种可能的替代催化剂体系。Pd催化剂具有较好的耐高温性能及CO和HC氧化活性,但在以摩托车尾气中的CO和HC为还原剂还原NOx的反应中,其催化活性相对较低。助剂是提高催化剂性能的重要因素,所以在全Pd催化剂中添加合适的助剂以提高其NOx还原活性,是目前很受重视的研究课题之一。特别是稀土铈氧化物助剂在含氧条件下起着一种“储氧”化合物的作用,能提高催化剂的NO还原活性和稳定性.但当Pd含量较低时,在制作催化剂的过程中需优化助剂与Pd的配比,以充分发挥贵金属的有效作用。
发明内容
本发明的目的旨在克服上述现有技术中的缺点,制作成本低、起燃温度低、转化率高、空燃比窗口宽的摩托车尾气催化转化器。
本发明的另一目的在于还提供摩托车尾气催化转化器的制作方法。用该方法生产的摩托车尾气催化转化器成本低、起燃温度低、转化率高、空燃比窗口宽,且该方法制作工艺过程简单。
本发明的目的是这样实现的:
一种摩托车尾气催化转化器,该催化器是由基体及涂覆在基体上的催化剂涂层组成,所述催化剂涂层由催化剂载体、储氧材料、催化活性组分和催化剂助剂组成,
所述的基体为S型金属蜂窝载体或者同心圆型金属蜂窝载体;
所述的催化剂载体为γ-Al2O3、TiO2、OSM、La-Al2O3、SiO2-Al2O3中的一种,或者两种以上的混合物,该催化剂载体重量占催化剂涂层总重量百分比为30%~60%;
所述的储氧材料为CexZr(1-x)LayOm中的一种,或者两种以上的混合物,其中X=0.60~0.65;Y=0.05~0.1;m=0~+∞;该储氧材料重量占催化剂涂层总重量百分比为30%~60%;
所述的催化活性组分为Pd、Pt、Rh、Co、Ni的氧化物中的一种,或者两种以上氧化物的混合物,该催化活性组分含量占催化剂涂层总重量百分比为0.2~10%;
所述的催化剂助剂为Ce、Ba、Zr、La、Mn、Fe、Mg的氧化物中的三种以上氧化物的混合物,该催化剂助剂含量占催化剂涂层总重量百分比为5%~25%;
催化剂载体、储氧材料、催化活性组分和催化剂助剂占催化剂涂层总重量百分比之和为100%。
优选地,所述基体的内芯材质为0Cr20Al5或0Cr21Al6或MKM1.4767CrAl4或MKM1.4767CrAl6;
所述基体的外壳材质为SUS444或者SUS441。
优选地,所述的催化剂载体与储氧材料的重量比为1:1,催化活性组分为Pd、Co的氧化物中的一种,或为Pd、Co的氧化物的混合物;或,
所述的催化剂载体与储氧材料的重量比为7;3,催化活性组分为Pt、Ni的氧化物中的一种,或为Pt、Ni的氧化物的混合物;或,
所述的催化剂载体与储氧材料的重量比为3:7,催化活性组分为Rh、Co的氧化物中的一种,或为Rh、Co的氧化物的混合物。
一种上述的摩托车尾气催化转化器的制作方法,包括如下步骤:
(1)将催化活性组分的前驱体溶解于水中,得到贵金属水溶液;
(2)将贵金属水溶液与催化剂载体和储氧材料充分混合均匀,对得到的混合物进行干燥处理,再碾磨得到催化剂粉末;
(3)将催化剂粉末进行焙烧;
(4)将焙烧好的催化剂粉末和催化剂助剂一起溶于溶剂,并搅拌得到凝胶状催化剂涂层物;催化剂粉末和催化剂助剂占凝胶状催化剂涂层物的重量百分比之和为40%-56%;
(5)将制得的凝胶状催化剂涂层物涂覆在摩托车尾气催化转化器基体上;
(6)将涂覆了凝胶状涂层物的基体进行干燥、焙烧,凝胶状涂层物在基体上固化成催化剂涂层,从而制得摩托车尾气催化转化器。
优选地,需预先计算步骤(2)中的催化剂载体和储氧材料的吸水率,并按照吸水率计算催化剂载体和储氧材料的混合物需要的吸水量,该吸水量与步骤(1)中的水的重量相等。
优选地,所述步骤(2)中,混合物的干燥温度为80℃~120℃,干燥时间为1-3小时。
优选地,所述步骤(3)中,催化剂粉末放置在温度为350℃~600℃的条件下焙烧2~5小时;
所述步骤(5)中,催化转化器基体在涂覆凝胶状涂层物之前,需放置在温度为550℃~900℃、通气量为0.5~2.5m3/h的焙烧炉中焙烧3~5小时;
所述步骤(6)中,涂覆了凝胶状涂层物的基体在40℃~120℃条件下干燥1~3小时,再在温度为350℃~600℃的条件下焙烧,焙烧时间为2~5小时。
本发明相比现有技术突出且有益的技术效果是:
本发明的摩托车尾气催化转化器中的催化剂涂层含有多种负载有相应活性组分的载体及储氧材料,因此活性组分得到充分的分散增加了废气与催化活性组分的接触面,涂覆在基体表面上的催化剂涂层须经过干燥与焙烧处理,本发明提供的摩托车尾气催化转化器具有高活性、高稳定性及耐久性。
本发明的基体采用金属蜂窝载体,具有净截面大、背压损失低、起燃速率快、热稳定性和耐久性好等优点;
本发明的摩托车尾气催化转化器由于具有较低的起燃温度,T50在156℃~189℃,因此能有效降低摩托车在冷启动时产生的尾气污染物;
本发明的摩托车尾气催化转化器具有很高的热稳定性及较宽的空燃比窗口,因此可以满足摩托车在不同工况行驶时所产生的尾气净化要求。
具体实施方式
为使本领域技术人员进一步清楚本发明,通过下面给出的具体实施例详细描述本发明。除非另有说明,本发明中所采用的百分数均为重量百分数。
实施例1:一种摩托车尾气催化转化器,该催化器是由基体及涂覆在基体上的催化剂涂层组成,所述催化剂涂层由催化剂载体、储氧材料、催化活性组分和催化剂助剂组成,
所述的基体为S型金属蜂窝载体或者同心圆型金属蜂窝载体(催化转化器的基体选用孔密度为31孔/cm2的S型或者同心圆型金属蜂窝载体,规格为Φ20×30/200);
所述的催化剂载体为γ-Al2O3、TiO2、OSM(Oxygen Storage Material)、La-Al2O3、SiO2-Al2O3中的一种,或者两种以上的混合物,该催化剂载体重量占催化剂涂层总重量百分比为30%~60%(该数值可在30%~60%之间任意取值,例如,取30%或40%或45%或50%或60%,其中,本实施例取40%);
所述的储氧材料为CexZr(1-x)LaYOm中的一种,或者两种以上的混合物,其中X=0.60~0.65;Y=0.05~0.1;m=0~+∞(例如,X可取0.6或0.62或0.65,Y可取0.05或0.08或0.10,其中,本实施例取X=0.6,Y=0.1,m=3,即,储氧材料为Ce0.6Zr0.4La0.1O3);该储氧材料重量占催化剂涂层总重量百分比为30%~60%(该数值可在30%~60%之间任意取值,例如,取30%或40%或45%或50%或60%,其中,本实施例取40%);
所述的催化活性组分为Pd、Pt、Rh、Co、Ni的氧化物中的一种,或者两种以上氧化物的混合物,该催化活性组分含量占催化剂涂层总重量百分比为0.2~10%(该数值可在0.2%~10%之间任意取值,例如,取0.2%或0.5%或1%或3%或5%或8%或10%,其中,本实施例取10%);
所述的催化剂助剂为Ce、Ba、Zr、La、Mn、Fe、Mg的氧化物中的三种以上氧化物的混合物,该催化剂助剂含量占催化剂涂层总重量百分比为5%~25%(该数值可在5%~25%之间任意取值,例如,取5%或8%或10%或15%或18%或20%或25%,其中,本实施例取10%);
催化剂载体、储氧材料、催化活性组分和催化剂助剂占催化剂涂层总重量百分比之和为100%。
优选地,所述基体的内芯材质为0Cr20Al5或0Cr21Al6或MKM1.4767CrAl4或MKM1.4767CrAl6;
所述基体的外壳材质为SUS444或者SUS441。
优选地,所述的催化剂载体与储氧材料的重量比为1:1,催化活性组分为Pd、Co的氧化物中的一种,或为Pd、Co的氧化物的混合物;
实施例2:本实施例与实施例一基本相同,其不同之处在于,所述的催化剂载体与储氧材料的重量比为7;3(催化剂载体占催化剂涂层总重量百分比为56%;储氧材料占催化剂涂层总重量百分比为24%;催化活性组分占催化剂涂层总重量百分比为10%;催化剂助剂占催化剂涂层总重量百分比为10%),催化活性组分为Pt、Ni的氧化物中的一种,或为Pt、Ni的氧化物的混合物;
实施例3:本实施例与实施例一基本相同,其不同之处在于,所述的催化剂载体与储氧材料的重量比为3:7(催化剂载体占催化剂涂层总重量百分比为24%;储氧材料占催化剂涂层总重量百分比为56%;催化活性组分占催化剂涂层总重量百分比为10%;催化剂助剂占催化剂涂层总重量百分比为10%),催化活性组分为Rh、Co的氧化物中的一种,或为Rh、Co的氧化物的混合物。
实施例4:本实施例与实施例一基本相同,其不同之处在于,催化剂载体与储氧材料的重量比为1:1的负载Pd的粉末占催化剂涂层总重量的90%,催化剂助剂占催化剂涂层总重量的10%;在催化剂载体及储氧材料上负载的Pd含量为0.875%,前驱体为硝酸盐溶液;催化剂助剂成分分别为4%Ce、1%La、3%Ba和2%Zr的氧化物,前驱体为硝酸盐。
实施例5:本实施例与实施例一基本相同,其不同之处在于,催化剂载体与储氧材料的重量比为1:1的负载Pd的粉末占催化剂涂层总重量的45%,催化剂载体与储氧材料的重量比为3:7的负载Rh的粉末占催化剂涂层总重量的45%,催化剂助剂占催化剂涂层总重量的10%;在催化剂载体及储氧材料上负载的Pd含量为0.864%,前驱体为硝酸盐溶液;在催化剂载体及储氧材料上负载的Rh含量为0.0264%,前驱体为硝酸盐溶液;催化剂助剂成分分别为4%Ce、1%La、3%Ba和2%Zr的氧化物,前驱体为硝酸盐。
实施例6:本实施例与实施例一基本相同,其不同之处在于,催化剂涂层中:催化剂载体与储氧材料的重量比为1:1的负载Pd的粉末占催化剂涂层总重量的30%,催化剂载体与储氧材料的重量比为7:3的负载Pt的粉末占催化剂涂层总重量的30%,催化剂载体与储氧材料的重量比为3:7的负载Rh的粉末占催化剂涂层总重量的30%,催化剂助剂占催化剂涂层总重量的10%;在催化剂载体及储氧材料上负载的Pd含量为0.735%,前驱体为硝酸盐溶液;在催化剂载体及储氧材料上负载的Pt含量为0.115%,前驱体为硝酸盐溶液;在催化剂载体及储氧材料上负载的Rh含量为0.023%,前驱体为硝酸盐溶液;催化剂助剂成分分别为4%Ce、1%La、3%Ba和2%Zr的氧化物,前驱体为硝酸盐。
实施例7:本实施例与实施例一基本相同,其不同之处在于,催化剂涂层中:催化剂载体与储氧材料的重量比为1:1的负载Pd的粉末占催化剂涂层总重量的30%,在催化剂载体上负载的Pt的粉末占催化剂涂层总重量的30%,在储氧材料上负载的Rh的粉末占催化剂涂层总重量的30%,催化剂助剂占催化剂涂层总重量的10%;在催化剂载体及储氧材料上负载的Pd含量为0.735%,前驱体为硝酸盐溶液;在催化剂载体上负载的Pt含量为0.115%,前驱体为硝酸盐溶液;在储氧材料上负载的Rh含量为0.023%,前驱体为硝酸盐溶液;催化剂助剂成分分别为4%Ce、1%La、3%Ba和2%Zr的氧化物,前驱体为硝酸盐。
对实施例4-实施例7中,制得的催化剂的活性评价如下:
在废气评价装置上进行催化剂的活性评价,评价装置为固定床流动反应装置。模拟摩托车尾气中含有CO:4%、C3H8:400ppm、NO:300ppm、CO2:10%、O2:2.11945%;λ=0.97,未老化实验条件:空速4×104h-1,反应温度为400℃。老化实验条件:1050℃焙烧5h,测试空速4×104h-1,反应温度为400℃。
测试的实验数据如表1和表2所示:
表1
表2
一种上述的摩托车尾气催化转化器的制作方法,包括如下步骤:
(1)将催化活性组分的前驱体(催化活性组分为Pd、Pt、Rh、Co、Ni的氧化物中的一种,或者两种以上氧化物的混合物,对应的,前驱体为Pd、Pt、Rh、Co、Ni的硝酸盐或醋酸盐或其他盐)溶解于水中,得到贵金属水溶液;
(2)将贵金属水溶液与催化剂载体和储氧材料充分混合均匀,对得到的混合物进行干燥处理,再碾磨得到催化剂粉末;
(3)将催化剂粉末进行焙烧;
(4)将焙烧好的催化剂粉末和催化剂助剂一起溶于溶剂,并搅拌得到凝胶状催化剂涂层物;催化剂粉末和催化剂助剂占凝胶状催化剂涂层物的重量百分比之和为40%-56%;
(5)将制得的凝胶状催化剂涂层物涂覆在摩托车尾气催化转化器基体上;
(6)将涂覆了凝胶状涂层物的基体进行干燥、焙烧,凝胶状涂层物在基体上固化成催化剂涂层,从而制得摩托车尾气催化转化器。
优选地,需预先计算步骤(2)中的催化剂载体和储氧材料的吸水率,并按照吸水率计算催化剂载体和储氧材料的混合物需要的吸水量,该吸水量与步骤(1)中的水的重量相等。(具体计算方法为:先称取重量为(M1)g的催化剂载体和储氧材料放置在重量为(M2)g的烧杯中,然后加水直到水的液面超过载体界面,用滤纸将过量的水滤除,称量其总的重量(M3)g,然后用公式计算吸水率:w%=(M3-M2-M1)/M1,按照吸水率计算载体需要的吸水量,将活性前驱体溶解于按照计算所得到的水中,得到贵金属水溶液);
优选地,所述步骤(2)中,混合物的干燥温度为80℃~120℃,干燥时间为1~3小时。
优选地,所述步骤(3)中,催化剂粉末放置在温度为350℃~600℃的条件下焙烧2~5小时;
所述步骤(5)中,催化转化器基体在涂覆凝胶状涂层物之前,需放置在温度为550℃~900℃、通气量为0.5~2.5m3/h的焙烧炉中焙烧3~5小时;
所述步骤(6)中,涂覆了凝胶状涂层物的基体在40℃~120℃条件下干燥1~3小时,再在温度为350℃~600℃的条件下焙烧2~5小时。
上述实施例仅为本发明的较佳实施例,并非依此限制本发明的保护范围,故:凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化,均应涵盖于本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种摩托车尾气催化转化器,该催化器是由基体及涂覆在基体上的催化剂涂层组成,所述催化剂涂层由催化剂载体、储氧材料、催化活性组分和催化剂助剂组成,其特征在于:
所述的基体为S型金属蜂窝载体或者同心圆型金属蜂窝载体;
所述的催化剂载体为γ-Al2O3、TiO2、OSM、La-Al2O3、SiO2-Al2O3中的一种,或者两种以上的混合物,该催化剂载体重量占催化剂涂层总重量百分比为30%~60%;
所述的储氧材料为CexZr(1-x)LaYOm中的一种,或者两种以上的混合物,其中X=0.60~0.65;Y=0.05~0.1;m=0~+∞;该储氧材料重量占催化剂涂层总重量百分比为30%~60%;
所述的催化活性组分为Pd、Pt、Rh、Co、Ni的氧化物中的一种,或者两种以上氧化物的混合物,该催化活性组分含量占催化剂涂层总重量百分比为0.2~10%;
所述的催化剂助剂为Ce、Ba、Zr、La、Mn、Fe、Mg的氧化物中的三种以上氧化物的混合物,该催化剂助剂含量占催化剂涂层总重量百分比为5%~25%;
催化剂载体、储氧材料、催化活性组分和催化剂助剂占催化剂涂层总重量百分比之和为100%。
2.根据权利要求1所述的摩托车尾气催化转化器,其特征在于:
所述基体的内芯材质为0Cr20Al5或0Cr21Al6或MKM1.4767CrAl4或MKM1.4767CrAl6;
所述基体的外壳材质为SUS444或者SUS441。
3.根据权利要求1所述的摩托车尾气催化转化器,其特征在于:
所述的催化剂载体与储氧材料的重量比为1:1,催化活性组分为Pd、Co的氧化物中的一种,或为Pd、Co的氧化物的混合物;或,
所述的催化剂载体与储氧材料的重量比为7:3,催化活性组分为Pt、Ni的氧化物中的一种,或为Pt、Ni的氧化物的混合物;或,
所述的催化剂载体与储氧材料的重量比为3:7,催化活性组分为Rh、Co的氧化物中的一种,或为Rh、Co的氧化物的混合物。
4.一种权利要求1所述的摩托车尾气催化转化器的制作方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)将催化活性组分的前驱体溶解于水中,得到贵金属水溶液;
(2)将贵金属水溶液与催化剂载体和储氧材料充分混合均匀,对得到的混合物进行干燥处理,再碾磨得到催化剂粉末;
(3)将催化剂粉末进行焙烧;
(4)将焙烧好的催化剂粉末和催化剂助剂一起溶于溶剂,并搅拌得到凝胶状催化剂涂层物;催化剂粉末和催化剂助剂占凝胶状催化剂涂层物的重量百分比之和为40%-56%;
(5)将制得的凝胶状催化剂涂层物涂覆在摩托车尾气催化转化器基体上;
(6)将涂覆了凝胶状涂层物的基体进行干燥、焙烧,凝胶状涂层物在基体上固化成催化剂涂层,从而制得摩托车尾气催化转化器。
5.根据权利要求4所述的摩托车尾气催化转化器的制作方法,其特征在于,需预先计算步骤(2)中的催化剂载体和储氧材料的吸水率,并按照吸水率计算催化剂载体和储氧材料的混合物需要的吸水量,该吸水量与步骤(1)中的水的重量相等。
6.根据权利要求4所述的摩托车尾气催化转化器的制作方法,其特征在于,所述步骤(2)中,混合物的干燥温度为80℃~120℃,干燥时间为1~3小时。
7.根据权利要求4所述的摩托车尾气催化转化器的制作方法,其特征在于, 所述步骤(3)中,催化剂粉末放置在温度为350℃~600℃的条件下焙烧,焙烧时间为2~5小时;
所述步骤(5)中,催化转化器基体在涂覆凝胶状涂层物之前,需放置在温度为550℃~900℃、通气量为0.5~2.5m3/h的焙烧炉中焙烧3~5小时;
所述步骤(6)中,涂覆了凝胶状涂层物的基体在温度为40℃~120℃条件下干燥1~3小时,再在温度为350℃~600℃的条件下焙烧,焙烧时间为2~5小时。
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