CN115362019A - 含有锆和铈的组合物和使用草酸和超临界干燥制造该组合物的方法 - Google Patents
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Abstract
本文公开了含有锆和铈，具有令人惊讶的小粒度的组合物。本文公开的组合物包含锆、铈、任选地钇和任选地一种或多种铈和钇之外的其他稀土元素氧化物。该组合物表现出粒度特征为D90值是约5μm‑约25μm和D99值是约5μm‑约50μm。进一步公开了使用草酸生产这些组合物的方法，并且在该方法中进行超临界干燥。该组合物可以用作催化剂和/或催化体系的一部分。该组合物使用草酸和超临界干燥，通过共沉淀制备。
Description
本申请涉及含有锆和铈的组合物，其具有小粒度和令人期望的压汞体积和表面积。这些具有小粒度的组合物还可以具有窄粒度分布。本文还公开了制造这些组合物的方法。本文公开的组合物包含锆、铈、任选地钇和任选地一种或多种铈和钇之外的稀土元素。
背景技术
基于铈和锆氧化物(CeO2-ZrO2)的材料已经用于催化应用。将锆引入氧化铈(IV)晶格中或将铈引入氧化锆晶格中显著增强和促进氧迁移率。这个事实已经被汽车污染物控制催化剂工业容易地采用，其中含有铈和锆氧化物(CeO2-ZrO2)的材料普遍用作活性涂层组分。这些材料催化一氧化碳和烃的氧化以及氮氧化物的还原，如下面的等式所示：
2CO+O2→2CO2
CxH2x+2+[(3x+1)/2]O2→xCO2+(x+1)H2O
2NO+2CO→2CO2+N2
基于铈和锆氧化物(CeO2-ZrO2)的材料还已经用于催化应用中，作为载体来分散活性金属催化剂，以提高催化剂活性，这产生高转化数(turn-over number)。对此，载体在保持活性金属催化剂的高分散态中起到了主要作用，甚至在苛刻的运行条件例如高温和水热环境中也是如此。在苛刻条件下无法维持它的结构完整性的载体会导致活性催化剂金属位置的堵塞或烧结，这导致基于每个分子的催化剂活性减小。因为许多的这些催化剂使用昂贵的贵金属例如铂、钯和/或铑，所以催化剂金属活性的损失直接影响这种催化剂的成本，这需要使用增加的贵金属负载量来保持期望的催化剂活性。与此同时，使用结构稳定的载体能够减少贵金属用量，同时保持或改进催化剂活性。
这些铈和锆催化剂可用于带来降低有害的车辆废气。它们提供高表面积和氧缓冲能力，这在这些应用中是有用的。这些材料有助于增强催化体系降低气体例如烃、一氧化碳和氮氧化物排放的能力。
通常，要求催化材料具有足够大的比表面积和足够高的氧缓冲能力，甚至在升高的温度也是如此。
还报告了生产基于铈和锆氧化物(CeO2-ZrO2)的材料的多种合成方法。
本申请的一个目标是提供具有可用于催化的优异的催化剂特性的基于铈和锆的材料以及合成这些材料的方法。即，作为催化剂/催化剂载体，具有高表面积，在氧化、还原和水热和氧化还原条件下具有稳定的表面，在苛刻的老化条件下具有稳定的晶体学特性，具有高和稳定的压汞体积，具有选择性孔隙率/压汞体积，在低温具有高活性和具有低的传质阻力和高的动态氧储存和释放特性。小粒度和窄粒度分布也是令人期望的。
发明内容
如本文所公开，本发明的组合物包含锆、铈、任选地钇和任选地一种或多种铈和钇之外的稀土元素。这些组合物具有小粒度，其特征为D90值是约5μm-约30μm和D99值是约5μm-约40μm。这些具有小粒度的组合物还具有窄粒度分布和进一步具有令人期望的压汞体积和表面积。
在上述组合物的某些实施方案中，该组合物还可以具有在氧化环境在1000℃煅烧10小时后约0.5-约4cc/g的总压汞体积和在氧化环境在1100℃煅烧10小时后约0.5-约3.0cc/g的总压汞体积。
在上述组合物的其他实施方案中，该组合物进一步可以具有在氧化环境在1000℃煅烧10小时后约40m2/g-约100m2/g的表面积和在氧化环境在1100℃煅烧10小时后约20m2/g-约85m2/g的表面积。
本文进一步公开了一种生产包含锆、铈和任选地钇和任选地一种或多种铈和钇之外的稀土元素的组合物的方法。该方法包括步骤：(a)将草酸水溶液、锆溶液、铈溶液、任选地钇和任选地一种或多种铈和钇之外的稀土元素溶液混合来提供混合物；(b)将该混合物添加到包含月桂酸和二甘醇单正丁基醚的碱溶液中来形成沉淀物；(c)使该沉淀物超临界干燥；和(d)煅烧该沉淀物来提供包含锆、铈、任选地钇和任选地一种或多种铈和钇之外的稀土元素的组合物。该方法还可以包括在超临界干燥之前，用水洗涤该沉淀物和用醇脱水的步骤。该方法可以包括在步骤(a)中将铈和钇之外的稀土元素溶液混合来提供混合物，和进一步包括在步骤(a)中混合钇溶液来提供混合物。通过这些方法制造的组合物具有小粒度、窄粒度分布和令人期望的压汞体积和表面积。
当与贵金属一起使用时，公开的组合物可以用于催化剂中来净化废气或催化剂载体，以改进耐热性和催化剂活性。这些公开的基于铈和锆氧化物(CeO2-ZrO2)的材料具有高表面积，其当经历苛刻的老化条件例如在高温的空气、水热和氧化还原条件下时具有稳定的表面。它们在苛刻的老化条件下还具有稳定的结晶学特性，高的、稳定的和选择性的压汞体积，在低温具有高的氧化还原活性和具有低的传质阻力和高的动态氧储存和释放特性。
附图说明
图1显示了本文公开的，使用草酸水溶液和超临界干燥来制造含铈和锆的组合物的实验方法的一个实施方案的流程图。
图2的图显示了与通过不包括使用草酸的方法制造的含有Ce/Zr/La/Nd的组合物相比，通过本文公开的使用草酸和超临界干燥的方法制造的含有Ce/Zr/La/Nd元素组分的组合物的制备后原样的粒度分布。全部比率是基于重量氧化物当量。
图3的图显示了与通过不包括使用草酸的方法制造的含有Ce/Zr/La/Nd/Pr的组合物相比，通过本文公开的使用草酸和超临界干燥的方法制造的含有Ce/Zr/La/Nd/Pr元素组分的组合物的制备后原样的粒度分布。全部比率是基于重量氧化物当量。
图4的图显示了与通过不包括使用草酸的方法制造的含有Ce/Zr/La/Pr的组合物相比，通过本文公开的使用草酸和超临界干燥的方法制造的含有Ce/Zr/La/Pr元素组分的组合物的制备后原样的粒度分布。全部比率是基于重量氧化物当量。
图5A-5C的图显示了与通过本文公开的使用草酸水溶液和超临界干燥的方法制造的不同的含铈和锆的组合物相比，通过不使用草酸水溶液或加热的对比方法制造的不同的含铈和锆的组合物在氧化环境老化的表面积的差异。图5A包括比率为20.8/72.2/1.7/5.3的Ce/Zr/La/Nd的图。图5B包括比率为40/50/2/4/4的Ce/Zr/La/Nd/Pr的图。图5C包括比率为40/50/5/5的Ce/Zr/La/Pr的图。全部比率是基于重量氧化物当量。
图6A-6C的图显示了与通过本文公开的使用草酸水溶液和超临界干燥的方法制造的不同的含铈和锆的组合物相比，通过不使用草酸水溶液或加热的对比方法制造的不同的含铈和锆的组合物在氧化环境老化的总压汞体积的差异。图6A包括比率为20.8/72.2/1.7/5.3的Ce/Zr/La/Nd的图。图6B包括比率为40/50/2/4/4的Ce/Zr/La/Nd/Pr的图。图6C包括比率为40/50/5/5的Ce/Zr/La/Pr的图。全部比率是基于重量氧化物当量。
图7A和7B的图显示了与通过本文公开的使用草酸水溶液和超临界干燥的方法制造的不同的含铈和锆的组合物相比，通过不使用草酸水溶液或加热的对比方法制造的不同的含铈和锆的组合物的典型的压汞体积。
具体实施方式
在公开和描述具有小粒度、窄粒度分布和令人期望的压汞体积和表面积的组合物和方法之前，要理解本发明不限于本文公开的具体结构、方法步骤或材料，而是扩展到本领域技术人员能够想到的其等价物。还应当理解本文所用的术语仅用于描述具体实施方案的目的，并非打算限制。还必须要注意的是，如本说明书中所使用，单数形式“一个”、“一种”和“该”包括复数指代物，除非上下文另有明确指示。因此例如提及“一个步骤”可以包括多个步骤，提及“生产”或反应或处理的“产物”不应当用于反应/处理的全部产物，和提及“处理”可以包括提及一个或多个这样的处理步骤。同样，处理步骤可以包括多个或重复处理类似材料/流来产生所确定的处理产物。
带有“约”的数值包括典型的实验偏差。如本文所使用，术语“约”表示处于统计意义范围的值例如规定的粒度，浓度范围，时间范围，分子量，温度或pH。这样的范围可以处于所示值或范围的一个量级内，通常处于其的10％内，甚至更通常处于5％内。有时候，这样的范围可以处于用于测量和/或测定给定值或范围的常规方法的典型的实验误差内。术语“约”所包含的可容许的变化将取决于所研究的具体系统，并且本领域技术人员能够容易地理解。无论何时当本申请中提及范围时，该范围内的每个整数也可以预期为本发明的一个实施方案。
本申请涉及具有小粒度、窄粒度分布和令人期望的压汞体积和表面积的组合物。本申请进一步涉及制造这些组合物的方法。本文公开的组合物公包含锆、铈、任选地钇、任选地一种或多种铈和钇之外的稀土元素。这些组合物具有用于催化催化剂和/或作为催化剂体系的一部分的有利性能。
如本文所公开，该组合物包含锆、铈、任选地钇和任选地一种或多种铈和钇之外的稀土元素。
在一个实施方案中，该组合物进一步包含选自镧、镨、钕或其混合物的一种或多种其他稀土元素。在任何上述组合物的另外的实施方案中，该组合物进一步包含钇。
这些组合物的粒度特征为D90值是约5μm-约30μm和D99值是约5μm-40μm。在一些实施方案中，这些组合物的粒度特征为D90值是约5μm-约20μm，或约5μm-约15μm，和D99值是约5μm-约30μm，或约5μm-约25μm。在上述的这些实施方案的一些中，该组合物的D50值是约1μm-约10μm，和在某些实施方案中是约1μm-约5μm。在这些实施方案的某些中，该组合物的D10值是约0.5μm-约2.5μm，和在某些实施方案中是约0.5μm-约2μm。
在一些实施方案中，这些组合物的粒度特征为D90值是约5μm-约20μm和D99值是约5μm-约30μm。在这些实施方案的一些中，该组合物进一步的D50值是约1μm-约5μm。在这些实施方案的某些中，该组合物的D10值是约0.5μm-约2μm。
在其他实施方案中，这些组合物的粒度特征为D90值是约10μm-约15μm和D99值是约10μm-约30μm。在这些实施方案的一些中，该组合物进一步的D50值是约1μm-约3μm。在这些实施方案的某些中，该组合物的D10值是约1μm-约2.5μm。
在具体实施方案中，该组合物的特征为D90值是约10μm-约15μm，D99值是约10μm-约30μm，D50值是约1μm-约3μm，和D10值是约1μm-约2.5μm。
在具体实施方案中，该组合物的特征为D99值是约5μm-约15μm，D90值是约5μm-约8μm，D50值是约2μm-约3μm，和D10值是约1μm-约2μm。
在具体实施方案中，该组合物进一步的特征为D25值是约1μm-约3μm和D75值是约3μm-约8μm。
在具体实施方案中，该组合物的特征为D99值是约22μm，D90值是约11μm，D50值是约4μm，和D10值是约2μm。在这个实施方案中，该组合物可以进一步的特征为D25值是约3μm和D75值是约6.5μm。
在其他具体实施方案中，该组合物的特征为D99值是约11μm，D90值是约5μm，D50值是约2.5μm，和D10值是约1μm。在这个实施方案中，该组合物可以进一步特征为D25值是约1.5μm和D75值是约3.5μm。
在另一具体实施方案中，该组合物的特征为D99值是约31μm，D90值是约12.5μm，D50值是约4.5μm，和D10值是约1.5μm。在这些具体实施方案中，该组合物进一步可以特征为D25值是约3μm，D75值是约8μm。
在一些实施方案中，本文公开的组合物会表现出与根据类似但不使用草酸的方法制造的类似组合物相比D50下降百分比>20％和与根据类似但不使用草酸的方法制造的类似组合物相比D90下降百分比>25％。在具体实施方案中，本文公开的组合物会表现出与根据类似但不使用草酸的方法制造的类似组合物相比D50下降百分比>40％和与根据类似但不使用草酸的方法制造的类似组合物相比D90下降百分比>50％。
粒度分析使用Microtrac S3500粒度分析仪进行。一种典型的测量使用约0.2g粉末样品进行，将20ml的2％六偏磷酸钠溶液添加到该样品中。然后将该样品+溶液超声处理约3分钟。然后将几滴经超声处理的溶液添加到仪器的样品容器中。在机器中再次对该样品超声处理另外3分钟。根据仪器制造商的使用说明书通过机器进行三次连续运行。将三次运行进行平均和记录结果。
关于窄粒度分布，本文定义的粒度分布是(D90-D10)/D50。同样，如本文所使用，窄粒度分布表示(D90-D10)/D50小于约5。在某些实施方案中，粒度分布可以小于约3。在一些实施方案中，本文公开的组合物可以表现出窄粒度分布，其测量值小于根据类似但不使用草酸和超临界干燥的方法制造的类似组合物的粒度分布。在某些实施方案中，本文公开的组合物可以表现出窄粒度分布，其小于根据类似但不使用草酸和超临界干燥的方法制造的类似组合物的粒度分布的约一半(低约50％)。
本文公开的具有小粒度的组合物还可以表现出在氧化环境中在1000℃煅烧10小时后约0.5-约4.0cc/g的总压汞体积，和在某些实施方案中在氧化环境中在1000℃煅烧10小时后约0.5-约3.5cc/g的总压汞体积。该具有小粒度的组合物还可以表现出在氧化环境中在1100℃煅烧10小时后约0.5-约3.0cc/g的总压汞体积，和在某些实施方案中在氧化环境中在1100℃煅烧10小时后约0.5-约2.0cc/g的总压汞体积。
在具体实施方案中，本文公开的小粒度组合物还可以表现出在氧化环境中在1000℃煅烧10小时后约2.2-约3.0cc/g的总压汞体积，和在氧化环境中在1100℃煅烧10小时后约1.4-约2.0cc/g的总压汞体积。
在其他实施方案中，本文公开的小粒度组合物还可以表现出在氧化环境中在1000℃煅烧10小时后约2.0-约3.2cc/g的总压汞体积，和在氧化环境中在1100℃煅烧10小时后约1.25-约2.5cc/g的总压汞体积。在某些实施方案中，该组合物可以表现出在氧化环境中在1000℃煅烧10小时后约2.2-约3.0cc/g的总压汞体积，和在氧化环境中在1100℃煅烧10小时后约1.4-约2.0cc/g的总压汞体积。
这些在氧化环境中在1000℃煅烧10小时后的压汞值与通过不使用草酸水溶液和超临界干燥的对比方法制造的含铈和锆的氧化物相比增加约25％-85％。这些在氧化环境中在1100℃煅烧10小时后的压汞值与通过不使用草酸水溶液和超临界干燥的对比方法制造的含铈和锆的氧化物相比增加约20％-85％。
压汞体积使用Micromeritics Auto Pore IV汞孔隙率计使用下面的程序测定。将粉末样品精确称重到4位有效数。然后将它排空到机器样品架中的50μm Hg。它然后经历汞压力(使用该机器)，并且充填压力步幅是0.5psia。每步的停留时间是10秒。对于所需的压力与孔进口直径转化来说，所用的汞表面张力值是485达因/cm，所用接触角是130°。在每个压力步骤，压汞体积是进入样品中的压汞体积的整体。
本文公开的具有小粒度的组合物进一步可以表现出在氧化环境中在1000℃煅烧10小时后约40m2/g-约100m2/g的表面积，和在某些实施方案中在氧化环境中在1000℃煅烧10小时后约40m2/g-约75m2/g的表面积，和在其他实施方案中在氧化环境中在1000℃煅烧10小时后约40m2/g-约65m2/g的表面积。
本文公开的具有小粒度的组合物进一步可以表现出在氧化环境中在1100℃煅烧10小时后约20m2/g-约85m2/g的表面积，和在某些实施方案中在氧化环境中在1100℃煅烧10小时后约20m2/g-约50m2/g的表面积。
在具体实施方案中，本文公开的具有小粒度的组合物进一步可以表现出在氧化环境中在1000℃煅烧10小时后约45m2/g-约65m2/g的表面积，和在氧化环境中在1100℃煅烧10小时后是约20m2/g-约30m2/g的表面积。
组合物的表观表面积使用Micromeritics ASAP 2000系统和氮气在约77开尔文测定。使用ASTM国际测试方法D 3663-03(2008重新评估)所述的程序，但是具有一个重要区别。公知的是“BET表面积”测定对于包含微孔率的材料来说是不可能的。需要认识到表面积是近似的，记录的值标记为“表观表面积”值，而非“BET表面积”值。依照公知的程序，表观表面积的测定，BET等式的使用被限制到等式的项na(l-P/Po)随着P/Po持续增加的压力范围。在氮气下在约300℃对样品进行约2小时的除气。
压汞体积与包含铈和锆的催化剂/催化剂载体的孔隙率和孔结构相关。不管催化剂活性位置的活性如何，反应物到活性位置容易的分子输送以及反应产物离开活性位置的容易的输送(这使它可以用于进一步的反应)是非常重要的。在不考虑催化剂选择性的情况中，载体的宽阔和开口的孔结构是令人期望的。在期望反应分子或产物的选择性的情况中，需要经设计的孔隙率，其仅允许期望的反应物到达活性位置，和仅允许期望的产物离开活性位置。例如，这种类型的功能是公知的，并且用于沸石材料。所以，根据期望的反应的类型，具有特定压汞体积的材料是有益的。
催化材料的粒度会直接影响单位体积/质量的组合物表面积和因而影响用于催化转化的活性位置的数目。通常，单位体积/质量的表面积(比表面积)随着粒度下降而增加。小粒度还会允许更多的催化铈和锆氧化物材料用于活性涂层组分中，而不堵塞催化转化器整料中的通道。以此方式，催化转化器倾向于具有更高的性能，同时使整料堵塞引起的排气背压最小化。
在本文公开和描述的组合物中，上述粒度可以与任何上述的在氧化环境中在1000和1100℃煅烧10小时后的任意组合的压汞体积进行组合，并且进一步可以与上述的在氧化环境中在1000和1100℃煅烧10小时后的任意组合的表面积进行任意组合。上述的在氧化环境中在1000和1100℃煅烧10小时后的压汞体积可以进行任意组合，并且进一步可以与上述的在氧化环境中在1000和1100℃煅烧10小时后的表面积进行任意组合。上述的在氧化环境中在1000和1100℃煅烧10小时后的表面积可以进行任意组合，并且进一步可以与上述的在氧化环境中在1000和1100℃煅烧10小时后的压汞体积进行任意组合。
在这些组合物中，Zr/Ce的分子比大于50％。所述组合物中Zr与Ce的比率(Zr:Ce)是约1:1-约4:1，和在某些实施方案中是约1:1-约2:1。在这些组合物的某些实施方案中，任何另外的组分(例如钇，和铈之外的稀土元素)的存在量是基于氧化物重量计0-30％。
在某些组合物中，比率CeO2/ZrO2可以是约15-60wt％/40-75wt％。提及的全部组合物是基于氧化物当量。
在组合物的具体实施方案中，CeO2/ZrO2/La2O3/Nd2O3比率可以是约18-55wt％/40-75wt％/1-8wt％/1-8wt％。在这些组合物的一个示例性实施方案中，CeO2/ZrO2/La2O3/Nd2O3比率可以是约20.8wt％/72.2wt％/1.7wt％/5.3wt％。提及的全部组合物是基于氧化物当量。
在其他实施方案中，CeO2/ZrO2/La2O3/Y2O3比率可以是约20-55wt％/40-75wt％/1-8wt％/1-8wt％。在这些组合物的一个示例性实施方案中，CeO2/ZrO2/La2O3/Y2O3比率可以是约45wt％/45wt％/5wt％/5wt％。
在这些组合物的另一实施方案中，CeO2/ZrO2/La2O3/Nd2O3/Pr6O11比率可以是约30-55wt％/40-75wt％/1-8wt％/1-8wt％/1-8wt％。在这些组合物的某些中，CeO2/ZrO2/La2O3/Nd2O3/Pr6O11比率可以是约40/50/2/4/4。提及的全部组合物是基于氧化物当量。
在其他实施方案中，CeO2/ZrO2/La2O3/Pr6O11比率可以是约30-55wt％/40-75wt％/1-8wt％/1-8wt％。在这些组合物的一个示例性实施方案中，CeO2/ZrO2/La2O3/Pr6O11比率可以是约40wt％/50wt％/5wt％/5wt％。
本文公开的组合物通过包括以下的方法制造：(a)将草酸水溶液、锆溶液、铈溶液、任选地钇和任选地一种或多种铈和钇之外的稀土元素溶液混合来提供混合物；(b)将该混合物添加到含有月桂酸和二甘醇单正丁基醚的碱性溶液中来形成沉淀物；(c)使该沉淀物超临界干燥；和(d)煅烧该沉淀物来提供包含锆、铈、任选地钇和任选地一种或多种铈和钇之外的其他稀土元素的组合物。
同样，该方法的步骤(a)进一步可以包括混合铈和钇之外的稀土元素溶液来提供混合物。这些稀土元素包括例如镧、镨、钕或其混合物。步骤(a)此外可以包括混合钇溶液来提供混合物。
锆、铈、任选地钇和任选地其他稀土元素溶液可以由任何可溶性盐形式的这些元素来制造。起始稀土元素盐是水溶性的，并且在本文公开的方法中可以溶解在水中。稀土元素盐可以是硝酸盐、氯化物等。铈盐可以是Ce(III)或Ce(IV)氧化态。
优选地，草酸首先与锆和铈溶液，和任选地其他稀土元素溶液和钇溶液合并。然后将该混合物添加到碱溶液(其还包含月桂酸和二甘醇单正丁基醚溶液)中。反应物添加速率不是关键的。
该方法还可以包括在超临界干燥之前用醇脱水的步骤。该醇可以是任何合适的醇，包括例如异丙醇、乙醇、甲醇等。
通过这种方法制造的组合物的粒度特征可以为上述的D90值和D99值。通过这种方法制造的组合物还可以表现出上述的窄粒度分布。重要的是要注意这些小粒度不使用主动粉碎步骤来实现。如上所述，小粒度会实现更大的比表面和更高的活性位置数。同样，当该组合物表现出小粒度时，可以使用更多的催化材料，而不产生另外的排气背压。此外，如果无需另外的粉碎步骤，而生产后原样获得良好受控的小粒度的基于铈和锆氧化物(CeO2-ZrO2)的材料，则可以明显降低生产强度和成本。
该方法中添加草酸和超临界干燥步骤是该方法的特征，并且使用这种添加和超临界干燥，获得了具有令人惊讶的小粒度和窄粒度分布的组合物，甚至没有微粉化时也是如此。在本文公开的方法中，草酸的添加量可以是基于等价氧化物计约25-100重量％。
此外，在本文公开的方法中，碱溶液的碱浓度可以是约3N-6N，和在一个实施方案中是约4.5N。该碱溶液可以是氨、氢氧化铵、氢氧化钠等。该碱溶液包含月桂酸和二甘醇单正丁基醚。
月桂酸的添加量可以是基于氧化物当量计约50-200％。二甘醇单正丁基醚的添加量可以是基于氧化物当量计约50-150％。
在本文公开的方法中，使用超临界干燥。超临界干燥可以在约250-350℃和约130-140巴进行。
该方法进一步可以包括在煅烧前，用水洗涤沉淀物的步骤。该沉淀物在煅烧前可以用水洗涤来达到所选的传导率。在一些实施方案中，这个期望的传导率是6-8mS/cm。
沉淀物可以通过倾析、真空过滤或二者的组合或任何其他合适的方法来从液体中分离。
在本文公开的方法中，煅烧可以在约400℃-1100℃的温度进行约0.25-24小时，和在某些实施方案中，煅烧可以在约800℃-1000℃的温度进行约3-7小时。在具体实施方案中，煅烧可以在约900℃的温度进行约5小时。煅烧温度和时间应当足以除去非稀土元素和非锆材料，并且还确保获得氧化物。
煅烧可以在任何合适的炉和环境中进行，包括但不限于氧化、还原、水热或惰性环境或其组合。在一些实施方案中，优选氧化环境。可以使用管式炉。由于它的管式设计，管式炉允许更好的气体流动来用于更彻底的处理。煅烧方法提供了本文公开的组合物。
图1是制造本文公开的组合物的方法的一个实施方案的流程图。
制造了本文公开的组合物，并且测试了粒度、压汞体积和表面积，并且与根据类似但不使用草酸和超临界干燥的方法制造的类似组合物进行比较。本文公开和通过本文公开的方法制造的组合物表现出令人惊讶的小粒度(图2，3和4)，良好的压汞体积(图6A-6C)和类似的表面积(图5A-5C)。
与根据类似但不使用草酸和超临界干燥的方法制造的类似组合物比较，本文公开和通过本文公开的方法制造的组合物还会表现出组合物令人惊讶的窄粒度分布。同样，在一些实施方案中，本文公开的组合物可以表现出粒度分布小于根据类似但不使用草酸和超临界干燥的方法制造的类似组合物的粒度分布。
下面，给出了实施例来更详细地说明本发明的制备包含锆、铈、任选地钇、任选地一种或多种铈和钇之外的其他稀土元素的组合物的方法以及其特征，虽然本发明的范围绝不局限于此。
实施例
实施例1：合成CeO2/ZrO2/La2O3/Nd2O3(20.8wt％/72.2wt％/1.7wt％/5.3wt％)
如下根据图1所示步骤进行：
1)制备草酸水溶液(基于金属氧化物当量计50wt％)。
2)制备硝酸氧锆溶液，基于ZrO2当量计约300g/L。
3)制备Ce/La/Nd硝酸盐溶液(基于氧化物当量计100g/L)。使用硝酸高铈铵作为铈盐。
4)制备氢氧化氨水溶液(NH4OH＝4.5M，NH4OH/M+＝10.1)。
5)通过向NH4OH溶液中添加锆和稀土元素硝酸盐溶液Ce/Zr/La/Nd来形成沉淀物。
6)将形成的湿饼(沉淀物)用去离子水洗涤来达到6-8mS/cm的传导率，并且通过倾析，然后通过真空过滤与液体分离。
7)将该湿饼用乙醇洗涤来脱水。
8)该湿饼经历在300℃和130-140巴的超临界干燥。
9)将该固体/沉淀物在900℃煅烧5小时。
实施例2：合成CeO2/ZrO2/La2O3/Nd2O3/Pr6O11(40wt％/50wt％/2wt％/4wt％/4wt％)
依照实施例1的程序，除了改变锆和稀土元素比率来获得上面所定义的这个实施例的组分比率。
实施例3：合成CeO2/ZrO2/La2O3/Pr6O11(40wt％/50wt％/5wt％/5wt％)
依照实施例1的程序，除了改变锆和稀土元素比率来获得上面所定义的这个实施例的组分比率。
实施例4：对比例合成CeO2/ZrO2/La2O3/Nd2O3(20.8wt％/72.2wt％/1.7wt％/5.3wt％)
如下进行：
1)制备硝酸氧锆溶液，基于ZrO2当量计300g/L。
2)制备Ce/La/Nd硝酸盐溶液(基于氧化物当量计100g/L)。使用硝酸高铈铵作为铈盐。
3)制备氢氧化氨水溶液(NH4OH＝4.5M，NH4OH/M+＝10.1)。
4)通过向NH4OH溶液中添加锆和稀土元素硝酸盐溶液Ce/Zr/La/Nd来形成沉淀物。
5)将形成的湿饼(沉淀物)用去离子水洗涤来达到6-8mS/cm的传导率，并且通过倾析，然后通过真空过滤与液体分离。
6)将该湿饼用乙醇洗涤来脱水。
7)该湿饼经历在300℃和130-140巴的超临界干燥。
8)将该固体/沉淀物在900℃煅烧5小时。
实施例5：对比例合成CeO2/ZrO2/La2O3/Nd2O3/Pr6O11(40wt％/50wt％/2wt％/4wt％/4wt％)
依照对比例4的程序，除了改变锆和稀土元素比率来获得上面所定义的这个实施例的组分比率。
实施例6：对比例合成CeO2/ZrO2/La2O3/Pr6O11(40wt％/50wt％/5wt％/5wt％)
依照对比例4的程序，除了改变锆和稀土元素比率来获得上面所定义的这个实施例的组分比率。
实施例7：将实施例的CeO2/ZrO2/La2O3/Nd2O3(20.8wt％/72.2wt％/1.7wt％/5.3wt％)组合物引入到催化剂或催化剂载体中
本文所述的包含铈和锆的混合氧化物材料可以用作催化剂或催化剂载体的主要组分来引入到汽车排气系统中。将锆引入氧化铈(IV)晶格中或将铈引入氧化锆晶格中明显提高和促进了氧迁移率。同样，将这些铈和锆氧化物(CeO2-ZrO2)固体溶液用其他稀土元素例如La、Nd、Pr和Y掺杂进一步改进了催化活性和耐热性。本文公开的这些混合氧化物材料具有高表面积，其当经历苛刻的老化条件例如处于高温空气、水热和氧化还原条件下时是热稳定的。它们还具有在苛刻的老化条件下稳定的晶体学特性，高和稳定的孔隙率和高和选择性的压汞体积，在低温具有高的氧化还原活性和具有低的传质阻力和高的动态氧储存和释放特性。
为了制造催化剂或催化剂载体，将这些铈和锆混合氧化物粉末与难熔无机氧化物例如氧化铝、氧化硅或氧化钛在水中混合来形成粉末浆料。随后，将贵金属例如钯、铑或铂，和其他添加剂例如稳定剂、促进剂和粘合剂添加到该氧化物浆料中来获得活性涂层。然后可以将这个活性涂层浆料涂覆到载体例如陶瓷整料蜂窝结构上，来制备用于汽车废气净化的催化剂。
除非另有指示，否则表示说明书和权利要求书中所用的成分、性能例如分子量、反应条件等的量的全部数字被理解为在全部情况中是用术语“约”修饰的。因此，除非另有相反指示，否则下面的说明书和所附权利要求书所述的数字参数是近似的，其可以根据所寻求获得的期望的性能而变化。
虽然阐明技术的宽范围的数字范围和参数是近似的，但是在具体实施例中所述的数值是尽可能精确地记录的。但是任何数值本质上包含了由它们各自的测试测量中存在的标准偏差所必然形成的某些误差。
很显然本文所述的组合物和方法非常适于获得所提及的目的和优点以及其中固有的那些。本领域技术人员将认识到，本说明书中的方法和系统可以以许多方式执行，并且其不限于前述的示例性实施方案和实施例。就此而言，本文所述的不同的实施方案的任何数目的特征可以组合在单一实施方案中，并且具有小于或大于本文所述全部特征的可选的实施方案是可能的。
虽然本发明已经描述了不同的实施方案，但是可以进行不同的改变和变化，其也处于本发明预期的范围内。可以进行诸多的其他改变，其将是本领域技术人员容易想到的，并且其包含在本发明主旨内。
Claims (34)
1.组合物，其包含锆、铈和任选地一种或多种铈之外的其他稀土元素和任选地钇，其粒度特征为D90值是约5μm-约30μm和D99值是约5μm-约40μm。
2.根据权利要求1的组合物，其粒度特征为D90值是约5μm-约20μm和D99值是约5μm-约30μm。
3.根据权利要求1或2的组合物，其粒度特征为D90值是约5μm-约15μm和D99值是约5μm-约25μm。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的组合物，其D50值是约1μm-约10μm。
5.根据权利要求4的组合物，其D50值是约1μm-约5μm。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的组合物，其D10值是约0.5μm-约2.5μm。
7.根据权利要求1的组合物，其D90值是约10μm-约15μm，D99值是约10μm-约30μm，D50值是约1μm-约3μm，和D10值是约1μm-约2.5μm。
8.根据权利要求1的组合物，其D99值是约5μm-约15μm，D90值是约5μm-约8μm，D50值是约2μm-约3μm，和D10值是约1μm-约2μm。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的组合物，其中该组合物包含一种或多种其他稀土元素，其中该其他稀土元素选自镧、镨、钕或其混合物。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的组合物，其中该组合物包含钇。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的组合物，其在氧化环境中在1000℃煅烧10小时后的总压汞体积是约0.5-约4cc/g和其在氧化环境中在1100℃煅烧10小时后的总压汞体积是约0.5-约3.0cc/g。
12.根据权利要求1-10中任一项所述的组合物，其在氧化环境中在1000℃煅烧10小时后的总压汞体积是约0.5-约3.5cc/g和其在氧化环境中在1100℃煅烧10小时后的总压汞体积是约0.5-约2.0cc/g。
13.根据权利要求1-10中任一项所述的组合物，其在氧化环境中在1000℃煅烧10小时后的总压汞体积是约2.0-约3.2cc/g和其在氧化环境中在1100℃煅烧10小时后的总压汞体积是约1.25-约2.5cc/g。
14.根据权利要求1-10中任一项所述的组合物，其中与通过不使用草酸水溶液的对比方法制造的含铈和锆的氧化物相比，该组合物在氧化环境中在1000℃煅烧10小时后的总压汞体积增加约25％-85％。
15.根据权利要求1-10中任一项所述的组合物，其中与通过不使用草酸水溶液的对比方法制造的含铈和锆的氧化物相比，该组合物在氧化环境中在1100℃煅烧10小时后的总压汞体积增加约20％-85％。
16.根据权利要求1-15中任一项所述的组合物，其在氧化环境中在1000℃煅烧10小时后的表面积是约40m2/g-约100m2/g和其在氧化环境中在1100℃煅烧10小时后的表面积是约20m2/g-约85m2/g。
17.根据权利要求1-15中任一项所述的组合物，其在氧化环境中在1000℃煅烧10小时后的表面积是约40m2/g-约75m2/g和其在氧化环境中在1100℃煅烧10小时后的表面积是约20m2/g-约50m2/g。
18.根据权利要求1-15中任一项所述的组合物，其在氧化环境中在1000℃煅烧10小时后的表面积是约45m2/g-约65m2/g和其在氧化环境中在1100℃煅烧10小时后的表面积是约20m2/g-约30m2/g。
19.根据权利要求1-18中任一项所述的组合物，其包含基于氧化物当量计约15-60wt％/40-75wt％比率的铈和锆。
20.生产包含锆、铈、任选地钇、任选地一种或多种铈和钇之外的其他稀土元素的组合物的方法，其包括步骤：
(a)将草酸水溶液、锆溶液、铈溶液、任选地钇和任选地一种或多种铈和钇之外的稀土元素溶液混合来提供混合物；
(b)将该混合物添加到包含月桂酸和二甘醇单正丁基醚的碱溶液来形成沉淀物；
(c)将该沉淀物超临界干燥；和
(d)煅烧该沉淀物来提供包含锆、铈、任选地钇和任选地一种或多种铈和钇之外的稀土元素的组合物。
21.根据权利要求20所述的方法，其中在步骤(a)中，将草酸水溶液、锆溶液、铈溶液和选自镧、镨、钕及其混合物的一种或多种稀土元素溶液混合来提供该混合物。
22.根据权利要求20或21所述的方法，其中在步骤(a)中将钇溶液混合来提供该混合物。
23.根据权利要求20-22中任一项所述的方法，其进一步包括在超临界干燥之前，用水洗涤该沉淀物。
24.根据权利要求20-23中任一项所述的方法，其进一步包括在超临界干燥之前，用醇脱水。
25.根据权利要求24所述的方法，其中该醇是乙醇。
26.根据权利要求20-25中任一项所述的方法，其中该草酸的添加量是相对于当量氧化物含量计约25-100重量％。
27.根据权利要求20-26中任一项所述的方法，其中该碱溶液是约4.5N。
28.根据权利要求20-27中任一项所述的方法，其中该煅烧在约400℃-1100℃的温度进行约0.25-24小时。
29.根据权利要求20-28中任一项所述的方法，其中该超临界干燥在约250-350℃和约130-140巴进行。
30.根据权利要求20-29中任一项所述的方法，其中该方法不包括主动粉碎步骤。
31.通过根据权利要求20-30中任一项所述的方法制造的组合物。
32.根据权利要求31的组合物，其中该组合物的粒度特征为D90值是约5μm-约30μm和D99值是约5μm-约40μm。
33.根据权利要求1-19、31或32中任一项所述的组合物，其中该组合物的粒度小于通过无草酸和超临界干燥的方法制造的组合物。
34.催化剂或催化剂组合物，其包含根据权利要求1-19或31-33中任一项所述的组合物。
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