DE102005021658A1

DE102005021658A1 - Träger

Info

Publication number: DE102005021658A1
Application number: DE102005021658A
Authority: DE
Inventors: Frank Gross; Simon Steigert; Ingo Zirkwa
Original assignee: Nano X GmbH; HJS Fahrzeugtechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Nano X GmbH; HJS Emission Technology GmbH and Co KG
Priority date: 2004-05-06
Filing date: 2005-05-06
Publication date: 2006-01-12

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Träger, ausgerüstet mit einer auf einer die Oberfläche des Trägers vergrößernden Zwischenschicht aufgebrachten, katalytisch wirksamen Beschichtung. Sie betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum Nachbehandeln von Abgasen, insbesondere von Brennkraftmaschinen, ein Verfahren zur Herstellung eines Trägers und dessen Verwendung. DOLLAR A Um derartige Vorrichtungen weiterzubilden, wird im Rahmen der Erfindung vorgeschlagen, daß die in der Zwischenschicht zur Oberflächenvergrößerung des Trägers enthaltenen Partikel Aluminiumoxidnanopartikel sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Träger, ausgerüstet mit einer auf einer die Oberfläche des Trägers vergrößernden Zwischenschicht aufgebrachten, katalytisch wirksamen Beschichtung. Sie betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum Nachbehandeln von Abgasen, insbesondere von Brennkraftmaschinen, ein Verfahren zur Herstellung eines Trägers und dessen Verwendung.

Zum Reinigen der Abgase von Brennkraftmaschinen sind in dem Abgasstrang derselben eine oder mehrere Vorrichtungen zum Nachbehandeln der Abgase vorgesehen. Bei diesen Vorrichtungen kann es sich um Katalysatoren und/oder um Filter, etwa Partikelfilter, handeln. Katalysatoren und ebenso katalytisch beschichtete Filterkörper umfassen einen strukturierten Träger, um eine möglichst große Oberfläche des Trägers zu erreichen. Sowohl zur Abgasnachbehandlung eingesetzte Filter, beispielsweise Sintermetallfilter, als auch Katalysatoren sind aus diesem Grunde mitunter aus einem feinwellig strukturierten Metallblech oder einer Metallfolie gebildet, wodurch eine Vielzahl von Strömungskanälen mit nur kleinem Strömungsquerschnitt gebildet werden. Eine große vom Abgas angeströmte Oberfläche wird benötigt, da die gewünschte chemische Umsetzung der im Abgas mitgeführten Moleküle nur stattfindet, wenn diese die katalytisch wirksame Beschichtung des Trägers kontaktieren.

Grundsätzlich kann die katalytische Beschichtung des Trägers auf das zur Ausbildung des Trägers vorgesehene Vorprodukt, beispielsweise ein Metallblech vor seiner Umformung aufgetragen werden. Es ist jedoch dann darauf zu achten, daß bei der Umformung die katalytische Beschichtung nicht beschädigt wird. Dieses ist in Abhängigkeit von dem durchgeführten Umformprozeß, beispielsweise einem Kanten, Biegen oder dergleichen nicht immer zu gewährleisten. Aus diesem Grunde wird die katalytische Beschichtung in aller Regel erst auf die Oberfläche des fertigen Trägers aufgebracht.

Es ist bekannt, zur weiteren Vergrößerung der Oberfläche eines solchen Trägers die katalytisch wirksame Beschichtung nicht unmittelbar auf den Träger aufzutragen, sondern auf die Trägeroberfläche zunächst eine Zwischenschicht (einen sogenannten Washcoat) aufzutragen, auf der dann die katalytisch wirksame Beschichtung aufgebracht wird. Ein solcher Washcoat enthält keramische Partikel, die, an der Oberfläche des Trägers anliegend und mit dieser durch einen Kalzinierprozeß verbunden, die Gesamtoberfläche des mit dem Washcoat beschichteten Trägers vergrößern. Eingesetzt werden zur Ausbildung eines solchen Washcoats Partikel, die in der Regel eine Größe zwischen 1 und 10 μm aufweisen.

Zum Aufbringen dieser Partikel befinden sich diese in einer Suspension, die auf die Oberfläche des Trägers aufgebracht wird. Neben Mitteln zum Verhindern eines Gelierens der Partikel und zum Verhindern eines Partikelabsinkens befinden sich in der Suspension Zuschlagpartikel, um eine Verbindung mit der auf den Washcoat aufzutragenden katalytischen Beschichtung zu verbessern. Bei der katalytischen Beschichtung handelt es sich in aller Regel um eine Platin-, Palladium-, oder Rhodiumbeschichtung.

Nicht unproblematisch ist das Dosieren einer solchen Washcoatsuspension auf der zu beschichtenden Trägeroberfläche, insbesondere wenn der Träger und nicht das Trägervorprodukt beschichtet werden. Eine Beschichtung strukturierter Träger, wie beispielsweise von Katalysatoren oder von Partikelfiltern erfolgt in der Regel durch einen Tauchvorgang durch Eintauchen des Trägers in die Washcoatsuspension. Bei diesem Vorgang kann nur mit zusätzlichem Aufwand weitestgehend sichergestellt werden, daß die relativ dickflüssige Washcoatsuspension die gesamte Trägeroberfläche benetzt, insbesondere wenn der Träger eine sehr feine Strömungsstrukturierung aufweist, wie dieses beispielsweise bei Partikelfiltern der Fall ist. Gerade bei Trägern mit einer sehr feinen Strukturierung ist jedoch eine gleichmäßige Dosierung auf der Trägeroberfläche kaum zu erreichen. Bei Partikelfiltern als Abgasnachbehandlungsvorrichtungen besteht beim Aufbringen eines Washcoats zudem die Gefahr, daß sich für die Filterung notwendige Poren zusetzen.

Eine nur unzureichende Washcoatbeschichtung eines Trägers aus Metall kann zu unerwünschten Korrosionserscheinungen führen. Vor allem bei Partikelfiltern aus Metall, die als Träger dienen, bedingt eine unzureichende Washcoatbeschichtung des Trägers eine unzureichende Beschichtung des Trägers mit der gewünschten katalytischen Beschichtung. Die zum Teil hohen Temperaturen einer solchen Abgasnachbehandlungsvorrichtung, die beispielsweise bei einem Partikelfilter beim Rußabbrand entstehen können, können dann eine Agglomeratbildung der katalytischen Beschichtung und somit ein Wandern des katalytisch wirksamen Materials auslösen. Dadurch ist die Wirksamkeit der Abgasnachbehandlungsvorrichtung hinsichtlich der gewünschten katalytischen Reaktion beeinträchtigt.

Um eine bestimmungsgemäße Washcoat- und katalytische Beschichtung zu erzielen, sind daher der Formgebung der Träger insbesondere hinsichtlich der Größe der Strömungskanäle Grenzen gesetzt. Eine Verringerung der Querschnittsfläche der Strömungskanäle ist jedoch zur Vergrößerung der Oberfläche des Trägers bei gleichbleibendem Trägervolumen gewünscht, jedoch nur dann, wenn sichergestellt werden kann, daß die angeströmte Oberfläche der Strömungskanäle auch katalytisch beschichtet werden kann.

Ausgehend von diesem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, die Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff dergestalt weiterzubilden, daß die obengenannten Nachteile zumindest weitgehend vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die in der Zwischenschicht zur Oberflächenvergrößerung des Trägers enthaltenen Partikel Aluminiumoxidnanopartikel sind.

Die Partikel der Zwischenschicht – des Washcoats – sind somit Aluminiumoxidnanopartikel, die im Verhältnis zu ihrer Größe eine hohe (katalytische Kontakt-)Oberfläche besitzen, wodurch die aufgetragene Trägerschichtmenge erheblich reduziert wird. Die Aluminiumoxidnanopartikel sind um mehrere Größenordnungen kleiner als die in herkömmlichen Washcoats enthaltenen Partikel. Eine Zwischenschicht verfügt typischerweise über mehrere Nanopartikellagen, so daß die Oberfläche des Trägers nicht nur durch die einzelne Partikelgröße, sondern auch in die Tiefe vergrößert ist. Das Aufbringen eines solchen aus Nanopartikeln aufgebauten Washcoats ist ohne weiteres möglich. Zu diesem Zweck können die Nanopartikel in eine relativ dünnflüssige Suspension aufgenommen werden, die auf den Träger aufgebracht wird. Die Dünnflüssigkeit der Suspension und die nur sehr geringe Größe der zur Ausbildung des Washcoats eingesetzten Partikel gewährleistet, daß durch die Washcoatsuspension die gesamte Oberfläche eines auch mit sehr feinen Strukturen ausgebildeten Trägers benetzt und an der gesamten Trägeroberfläche die gewünschten Nanopartikel angelagert werden können. Durch einen solchen Washcoat wird der Strömungsquerschnitt eines Strömungskanals des Trägers nicht nennenswert reduziert. Die hinsichtlich der Trägeroberfläche ursprünglich berechnete Strömungsgeschwindigkeit des Abgasstroms in einem solchen Strömungskanals bleibt durch die nur sehr dünne Washcoatbeschichtung so gut wie unverändert, so daß die zu einem Strömungskanal berechnete Verweildauer des Abgases zum Durchführen der gewünschten katalytischen Reaktion auch nach Auftragen des Washcoats den berechneten Voraussetzungen entspricht.

Ein besonderer Vorteil eines solchen Washcoats ist ferner, daß die Nanopartikel in die Poren bzw. Öffnungen eines auch als Tiefenfilter ausgelegten Partikelfilters hineintransportiert werden können und eine wirksame Tiefenbeschichtung eines Partikelfilters in die Filterwände hinein möglich ist. Hierdurch werden nicht nur die Rußpartikel an den Außenflächen, sondern auch tief im Inneren der Poren des Filters katalytisch oxidiert bzw. verbrannt. Dieses ist möglich bei Filtern aus einem Vlies, etwa einem Sintermetallvlies oder auch bei Sintermetallfiltern, gebildet aus gesinterten Einzelelementen, wie etwa Sintermetallblechen. Die vollständige oder nahezu vollständige Ummantelung sämtlicher Körner eines Sintermetallfilters mit den Nanopartikeln des Washcoats schützt den aus Sintermetall hergestellten Träger vor Korrosion und wirkt als elektrischer Isolator gegenüber den edleren Metallen der auf der Außenseite des Washcoats aufgetragenen katalytischen Beschichtung. Aufgrund der nur geringen Größe der die Zwischenschicht bildenden Nanopartikel ist letztendlich nicht nur die Oberfläche des Trägers erheblich vergrößert, sondern eine Anlagerung der zum Herstellen der katalytischen Beschichtung eingesetzten Metalle kann vorgenommen werden, ohne daß in der Zwischenzeit zusätzliche haftungserhöhende Bestandteile enthalten sind. Die Ausbildung einer homogen verteilten Washcoatoberfläche hat auch eine gleichmäßige Verteilung des katalytischen Metalls und eine bessere Dauerhaltbarkeit zur Folge.

Das Beschichtungsmaterial kann über einen kostengünstigen Beschichtungsprozeß auf Filter bzw. Filterelemente und deren Vorstufen aufgetragen werden.

Eine Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Aluminiumoxidnanopartikel kristalline α-Aluminiumoxidnanopartikel sind.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß die Aluminiumoxidnanopartikel in einem geeigneten Binder verteilt sind.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß der Binder auf Siliziumverbindungen basiert und der Siliziumoxidanteil in der Trockenschicht 1 Gew.-% bis 50 Gew.-%, insbesondere 5 Gew.-% bis 20 Gew.-% beträgt.

Es ist vorteilhaft, daß die Größe der Aluminiumoxidnanopartikel zwischen 5 und 100 nm, vorzugsweise zwischen 10 und 60 nm beträgt.

Weiterhin ist es zweckmäßig, daß der Gewichtsanteil der Aluminiumoxidnanopartikel bezogen auf die Gesamtmasse der Trockenschicht zwischen 99 Gew.-% und 50 Gew.-%, insbesondere zwischen 95 und 80 Gew.-%, beträgt.

Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die auf die Zwischenschicht aufgebrachte katalytisch wirksame Beschichtung des Trägers aus einem oder mehreren der Metalle Platin, Palladium, Rhodium, Cer oder Lanthan besteht.

Weiterhin liegt es im Rahmen der Erfindung, daß der Träger ein Sintermetallfilterkörper ist.

Eine Weiterbildung dieses Erfindungsgedankens besteht darin, daß der Sintermetallfilterkörper aus einem oder mehreren umgeformten Sintermetallblechstreifen, gebildet jeweils aus einem mit Sintermetallpulver gefüllten Öffnungen aufweisenden Träger aus Metall hergestellt ist.

Es ist auch Erfindung gehörig, daß der Träger aus Metallen, insbesondere in Form von Platten, Fasern, Textilien, Geweben oder Sinterkörpern, oder aber aus Keramik oder Glas besteht.

Im Rahmen der Erfindung liegt auch eine Vorrichtung zum Nachbehandeln von Abgasen, wobei die Vorrichtung einen von den Abgasen angeströmten erfindungsgemäßen Träger aufweist.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Trägers, wobei

• in einem ersten Schritt eine die Oberfläche des Trägers vergrößernde Zwischenschicht aufgetragen wird, wobei diese Zwischenschicht zur Oberflächenvergrößerung Aluminiumoxidnanopartikel enthält,
• in einem zweiten Schritt eine katalytisch wirksame Beschichtung auf die Zwischenschicht aufgetragen wird.

Hierbei ist vorgesehen, daß der Auftrag der Zwischenschicht bzw. der katalytisch wirksamen Beschichtung durch Fluten, Tauchen, Sprühen, Gießen und anschließende thermische Trocknung bei Temperaturen zwischen Raumtemperatur und 600°C, insbesondere zwischen 130°C und 500°C erfolgt.

Schließlich ist auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Trägers auf Motorenteilen, in Auspuffanlagen, Industrieanlagen, Rußfiltersystemen, Luftaufbereitungsanlagen, Klimaanlagen sowie in chemischen Synthese- und Prozeßanlagen zur Erfindung gehörig.

Nachfolgend wird die Herstellung der erfindungsgemäßen Aluminiumoxidnanopartikelsuspensionen in einem geeigneten Binder anhand von Ausführungsbeispielen erläutert.
Beispiel 1:
5,0 g Aluminiumoxid C (mittlere Primärteilchengröße 13 nm) werden in 95,0 g 5%iger Essigsäure mit einem Ultra-Turrax für 10 min bei 15.000 U/min dispergiert. 20,8 g Tetraethoxysilan werden mit 10 g 0,01 n Salzsäure 30 min gerührt. Von der klaren homogen Lösung werden 5,5 g unter Rühren zu der Aluminiumoxidlösung gegeben. Es wird eine Stunde gerührt, dann ist die Beschichtungslösung anwendungsfertig.
Beispiel 2:
5,0 g Aluminiumoxid C werden in 95,0 g 5%iger Essigsäure mit einem Ultra-Turrax für 10 min bei 15.000 U/min dispergiert. 9,0 g Methytriethoxysilan und 10,4 g Tetraethoxysilan werden mit 10 g 0,01 n Salzsäure 30 min gerührt. Von der klaren homogen Lösung werden 5,5 g unter Rühren zu der Aluminiumoxidlösung gegeben. Es wird eine Stunde gerührt, dann ist die Beschichtungslösung anwendungsfertig.
Beispiel 3:
25,0 g kolloidale Aluminiumoxidlösung Nyacol AL-20 werden mit 75,0 g 0,01 n Salpetersäure verdünnt und 10 min gerührt. 35,8 g Methytriethoxysilan und 5,2 g Tetraethoxysilan werden mit 10 g 0,01 n Salpetersäure 30 min lang gerührt. Von der klaren homogen Lösung werden 5,5 g unter Rühren zu der obigen Aluminiumoxidlösung gegeben. Es wird eine Stunde gerührt, dann ist die Beschichtungslösung anwendungsfertig.
Die Lösungen aus den Beispielen 1 bis 3 werden jeweils durch Tauchen auf Sintermetallsubstrate aufgebracht und anschließend eine Stunde bei 130°C getrocknet. Der mit der Zwischenschicht beschichtete Träger wird mit einer 1 %igen Platinchloridlösung getaucht und nachfolgend bei 500°C Umlufttemperatur für eine Stunde getrocknet.

Claims

Träger, ausgerüstet mit einer auf einer die Oberfläche des Trägers vergrößernden Zwischenschicht aufgebrachten, katalytisch wirksamen Beschichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Zwischenschicht zur Oberflächenvergrößerung des Trägers enthaltenen Partikel Aluminiumoxidnanopartikel sind.
Träger gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumoxidnanopartikel kristalline α-Aluminiumoxidnanopartikel sind.
Träger gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumoxidnanopartikel in einem geeigneten Binder verteilt sind.
Träger gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Binder auf Siliziumverbindungen basiert und der Siliziumoxidanteil in der Trockenschicht 1 Gew.-% bis 50 Gew.-%, insbesondere 5 Gew.-% bis 20 Gew.-% beträgt.
Träger gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Aluminiumoxidnanopartikel zwischen 5 und 100 nm, vorzugsweise zwischen 10 und 60 nm beträgt.
Träger gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gewichtsanteil der Aluminiumoxidnanopartikel bezogen auf die Gesamtmasse der Trockenschicht zwischen 99 Gew.-% und 50 Gew.-%, insbesondere zwischen 95 und 80 Gew.-%, beträgt.
Träger gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Zwischenschicht aufgebrachte katalytisch wirksame Beschichtung des Trägers aus einem oder mehreren der Metalle Platin, Palladium, Rhodium, Cer oder Lanthan besteht.
Träger gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger ein Sintermetallfilterkörper ist.
Träger gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Sintermetallfilterkörper aus einem oder mehreren umgeformten Sintermetallblechstreifen, gebildet jeweils aus einem mit Sintermetallpulver gefüllten Öffnungen aufweisenden Träger aus Metall hergestellt ist.
Träger gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger aus Metallen, insbesondere in Form von Platten, Fasern, Textilien, Geweben oder Sinterkörpern, oder aber aus Keramik oder Glas besteht.
Vorrichtung zum Nachbehandeln von Abgasen, insbesondere von Brennkraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung einen von den Abgasen angeströmten Träger gemäß den Ansprüchen 1 bis 9 aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Trägers gemäß den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß • in einem ersten Schritt eine die Oberfläche des Trägers vergrößernde Zwischenschicht aufgetragen wird, wobei diese Zwischenschicht zur Oberflächenvergrößerung Aluminiumoxidnanopartikel enthält, • in einem zweiten Schritt eine katalytisch wirksame Beschichtung auf die Zwischenschicht aufgetragen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Auftrag der Zwischenschicht bzw. der katalytisch wirksamen Beschichtung durch Fluten, Tauchen, Sprühen, Gießen und anschließende thermische Trocknung bei Temperaturen zwischen Raumtemperatur und 600°C, insbesondere zwischen 130°C und 500°C erfolgt.
Verwendung des Trägers gemäß den Ansprüchen 1 bis 9 auf Motorenteilen, in Auspuffanlagen, Industrieanlagen, Rußfiltersystemen, Luftaufbereitungsanlagen, Klimaanlagen sowie in chemischen Synthese- und Prozeßanlagen.