DE102011110164A1 - Bifunktionelle Katalysatormaterialien zurMagerabgas-NOx-Reduktion - Google Patents

Bifunktionelle Katalysatormaterialien zurMagerabgas-NOx-Reduktion Download PDF

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Abstract

Offenbart werden ein bifunktionelles Katalysatormaterial, ein SCR-Konverter, der das bifunktionelle Katalysatormaterial umfasst, ein Abgas-Nachbehandlungssystem, das den SCR-Konverter umfasst, und ein Verfahren zur Entfernung von NOx, das in einem Abgasstrom enthalten ist, der durch einen Magerverbrennungsmotor produziert wird. Das bifunktionelle Katalysatormaterial kann (1) NO zu NO2 oxidieren und (2) selektiv NOx zu N2 reduzieren, wenn es einem Abgasgemisch ausgesetzt wird, das den Abgasstrom aus dem Magerverbrennungsmotor und ein geeignetes Reduktionsmittel umfasst. Das bifunktionelle Katalysatormaterial umfasst Metalloxidpartikel, die aus der Gruppe, bestehend aus Perowskitoxid-Partikeln und Mangan-basierten Mischmetalloxid-Partikeln ausgewählt sind, fein verteilt auf einem Katalysator für eine selektive katalytische Reduktion (SCR).

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Das technische Gebiet betrifft allgemein Abgas-Nachbehandlungssysteme, die das Abgas behandeln, welches durch einen Magerverbrennungsmotor produziert wird, und insbesondere Katalysatormaterialien, die eingesetzt werden können, um die Entfernung von NOx zu unterstützen.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Magenverbrennungsmotoren werden mit einem mageren Gemisch aus Luft und Kraftstoff (sauerstoffreiches Gemisch) betrieben und verbrennen dieses, um eine effizientere Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu erreichen. Einige erwähnenswerte Beispiele für Magerverbrennungsmotoren umfassen Motoren mit kompressionsgezündeter Verbrennung (Dieselmotoren), bestimmte Fremdzündungs(benzin)motoren, zum Beispiel funkengezündete Direkteinspritzmotoren (SIDI-Motoren) und Motoren mit homogen kompressionsgezündeter Verbrennung (HCCI-Motoren). Diese und andere Typen von Magerverbrennungsmotoren sind im Allgemeinen kraftstoffeffizienter als herkömmliche reich verbrennende Fremdzündungsmotoren, und zwar als Resultat der Steigerungen des thermischen Wirkungsgrads, unter anderem bedingt durch Verringerungen bei Drossel- und Wärmeverlusten.
  • Das Abgas, das aus einem Magerverbrennungsmotor während Zeiträumen eines Magerverbrennungsbetriebs emittiert wird, kann einen relativ hohen Gehalt an Stickstoff (N2) und Sauerstoff (O2), einen relativ niedrigen Gehalt an Kohlenmonoxid (CO) und nicht verbrannten/partiell verbrannten Kohlenwasserstoffen (HCs), möglicherweise etwas suspendiertes partikuläres Material (d. h. in Dieselmotoren), und geringe Mengen an Stickoxiden, die in erster Linie aus NO und NO2 (zusammengefasst als NOx bezeichnet) bestehen. Der NOx-Bestandteil des Abgases kann zwischen etwa 50 und etwa 1500 ppm schwanken und kann mehr als 90 Mol-% NO und weniger als 10 Mol-% NO2 zusammen mit nominalen Mengen an N2O umfassen. Das heiße Motorabgas, das Temperaturen von bis zu etwa 900°C erreichen kann, muss oft behandelt werden, um die Konzentration an CO, HCs, NOx und partikulären Suspensionen zu verringern, bevor es in die Atmosphäre abgegeben werden kann.
  • Ein Abgas-Nachbehandlungssystem kann stromabwärts zu einem Magerverbrennungsmotor konstruiert sein, um unerwünschte gasförmige Emissionen und mögliches partikuläres Material, das im Abgas eines Motors enthalten ist, zu behandeln. Ein typisches Abgas-Nachbehandlungssystem zielt üblicherweise darauf ab, kooperativ (1) CO zu Kohlendioxid (CO2) zu oxidieren, (2) HCs zu CO2 und Wasser (H2O) zu oxidieren, (3) NOx-Gase in Stickstoff (N2) und O2 umzuwandeln und (4) suspendiertes partikuläres Material abzufiltrieren oder in anderer Weise zu zerstören. Eine Vielzahl von Abgas-Nachbehandlungssystem-Bauarten, die speziell katalysierte Komponenten verwendet, wurden erfunden und sind in der Lage, diese Reaktionen in genügender Weise zu erleichtern, so dass das in die Umgebung ausgestoßene Abgas eine weitaus wünschenswertere chemische Zusammensetzung enthält. Die verschiedenen Komponenten, die das Abgas-Nachbehandlungssystem ausmachen, können in Abhängigkeit von, neben anderen Faktoren, dem Typ des Magerverbrennungsmotors, der betrieben wird, variieren.
  • Ein SIDI-Motor kann zum Beispiel an einen katalytischen Konverter angeschlossen sein, der einen Drei-Wege-Katalysator aus Metallen der Platin-Gruppe (PGMs), zum Beispiel Platin, Palladium und Rhodium, eingebaut hat. Katalytische Konverter werden seit langem in herkömmlichen Fremdzündungsbenzinmotoren eingesetzt, die ein nahezu stöchiometrisches Gemisch aus Luft und Kraftstoff verbrennen, um unerwünschtes CO, unerwünschte HCs und NOx aus dem Abgas des Motors zu entfernen. Allerdings stellt die Natur des Abgases, das aus einem SIDI-Motor während Zeiträumen eines Magerverbrennungsbetriebs produziert wird, bezüglich einer NOx-Entfernung bestimmte Herausforderungen. Eine spezifische Herausforderung ist die, dass der relativ hohe Gehalt an O2 und der relativ niedrige Gehalt an CO und HCs in dem heißen Abgas die Reaktionskinetik für die Umwandlung von NOx zu N2 über PGMs ziemlich ungünstig macht. Als weiteres Beispiel kann ein Dieselmotor mit einem Dieselpartikelfilter und einem Diesel-Oxidationskonverter, der einen Diesel-Oxidationskatalysator eingebaut hat, weicher aus PGMs wie Platin und Palladium besteht, verbunden sein. Der Dieselpartikelfilter und der Diesel-Oxidationskonverter können unerwünschtes CO, unerwünschte HCs und suspendiertes Partikelmaterial entfernen, allerdings sind katalytische Konverter im Allgemeinen infolge der relativ hohen O2-Konzentrationen zur Entfernung von NOx nicht geeignet. Daher werden im Allgemeinen zusätzlich Mittel in die Abgas-Nachbehandlungssysteme sowohl von SIDI- als auch von Dieselmotoren und alle anderen Typen von Magerverbrennungsmotoren eingebaut, um eine Entfernung von NOx zu unterstützen.
  • Eine verfügbare Option, die in einem Abgas-Nachbehandlungssystem eines Magerverbrennungsmotors verwendet werden kann, um eine Umwandlung von NOx zu N2 zu unterstützen, ist ein Katalysator der selektiven katalytischen Reduktion (SCR). Der SCR-Katalysator kann durch Washcoating auf ein Trägersubstrat, das im Strömungsweg des Abgases lokalisiert ist, aufgetragen werden. Ein Reduktionsmittel, zum Beispiel ein Kohlenwasserstoff oder Ammoniak (NH3), kann in das Abgas, das aus dem Magerverbrennungsmotor ausgestoßen wird, stromaufwärts zum SCR-Katalysator eingeführt und damit gemischt werden. Sobald das Reduktionsmittel dem SCR-Katalysator ausgesetzt wird, reduziert es in Gegenwart von O2 selektiv NOx zu N2. Der SCR-Katalysator kann im Abgas-Nachbehandlungssystem stromabwärts zu einem Oxidationskatalysator positioniert sein, welcher NO zu NO2 in mehr als nominalen Mengen oxidiert. Diese Positionierung des SCR-Katalysators kann ziemlich hilfreich sein, da der SCR-Katalysator im Allgemeinen NOx zu N2 effizienter, speziell bei niedrigeren Temperaturen, umwandelt, wenn das Molverhältnis von NO zu NO2 im Vergleich zu dem, das ursprünglich durch den Magerverbrennungsmotor erzeugt wird, auf ein Verhältnis von etwa 1 abnimmt.
  • Herkömmliche Diesel-Oxidationskatalysatoren und Zwei-Wege-Katalysatoren sind im Allgemeinen in der Lage, das Molverhältnis von NO zu NO2 in der NOx-Zuführung zu dem SCR-Konverter in ausreichendem Maße zu beeinflussen. Allerdings besitzen herkömmliche Drei-Wege-Katalysatoren infolge einer geringeren proportionalen Beladung mit Platin ein begrenztes NO-Oxidationsvermögen. Als Resultat kann, um eine Maximierung der NOx-Umwandlung zu unterstützen, ein Abgas-Nachbehandlungssystem für einen Dieselmotor in einfacher Weise den SCR-Konverter stromabwärts zum Diesel-Oxidationskonverter positionieren, und ein Abgas-Nachbehandlungssystem für einen SIDI-Motor kann außerdem einen Diesel-Oxidationskatalysator oder einen anderen geeigneten Zwei-Wege-Katalysator stromaufwärts zu dem SCR-Konverter einbauen. Allerdings sind die PGMs, die üblicherweise verwendet werden, um den Oxidationskatalysator zur NO-Oxidation herzustellen, insbesondere Platin, ziemlich teuer, und es wurde gezeigt, dass sie in einigen Fällen eine schlechte thermische Beständigkeit aufweisen, wenn sie Motorabgas mit relativ hoher Temperatur ausgesetzt sind.
  • Die Verwendung eines SCR-Konverters im Abgas-Nachbehandlungssystem für einen Magerverbrennungsmotor ist demnach eine attraktive, noch herausfordernde, Option zur Entfernung von NOx aus dem Abgas eines Motors. Eine derartige Vorrichtung wird oft mit einem stromaufwärts gelegenen Oxidationskatalysator gepaart, um eine NOx-Umwandlung bei niedrigen Temperaturen zu verstärken. Herkömmliche Oxidationskatalysatoren enthalten allerdings in erster Linie teuere und ungenügend dauerhafte PGMs. Eine SCR-Technologie, die mit der NOx-Entfernung in Verbindung steht, bedarf demnach konstant innovativer Entwicklungen und Beiträge, die dieses und andere verwandte Gebiete des technologischen Fachgebiets weiter entwickeln können.
  • ZUSAMMENFASSUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Ein Abgas-Nachbehandlungssystem für einen Magerverbrennungsmotor kann ein bifunktionelles Katalysatormaterial umfassen, das (1) NO zu NO2 oxidiert und (2) selektiv NOx zu N2 reduziert, wenn es einem Abgasgemisch ausgesetzt wird, das einen Abgasstrom aus dem Magerverbrennungsmotor und ein Reduktionsmittel umfasst. Das bifunktionelle Katalysatormaterial kann Metalloxidpartikel fein verteilt auf einem Katalysator für eine selektive katalytische Reduktion (SCR) umfassen. Die Metalloxidpartikel können aus der Gruppe, bestehend aus Perowskitoxid-Partikeln und Mangan enthaltenden Mischmetalloxid-Partikeln ausgewählt sein. Das bifunktionelle Katalysatormaterial kann in einem SCR-Konverter oder einer anderen Komponente, die einen Teil des Abgas-Nachbehandlungssystems bildet, enthalten sein. Andere beispielhafte und detailliertere Ausführungsformen der Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung, die folgt, klar werden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen vollständiger verständlich, wobei:
  • 1 eine verallgemeinerte und schematische Darstellung eines SCR-Konverters ist, der ein bifunktionelles Katalysatormaterial umfasst;
  • 2 eine schematische Darstellung der relevanten Teile einer beispielhaften Ausführungsform eines Abgas-Nachbehandlungssystems ist, das einen SCR-Konverter umfasst, der ein bifunktionelles Katalysatormaterial umfasst;
  • 3 eine schematische Darstellung der relevanten Teile einer anderen beispielhaften Ausführungsform eines Abgas-Nachbehandlungssystems ist, das einen SCR-Konverter umfasst, der ein bifunktionelles Katalysatormaterial einschließt;
  • 4 eine schematische Darstellung der relevanten Teile noch einer anderen beispielhaften Ausführungsform eines Abgas-Nachbehandlungssystems ist, das einen SCR-Konverter umfasst, der ein bifunktionelles Katalysatormaterial einschließt;
  • 5 eine schematische Darstellung der relevanten Teile noch einer anderen beispielhaften Ausführungsform eines Abgas-Nachbehandlungssystems ist, das einen SCR-Konverter umfasst, der ein bifunktionelles Katalysatormaterial einschließt;
  • 6 ein Diagramm ist, das die NOx-Umwandlungseffizienz eines Fe/β-Zeolith-SCR-Katalysators und eines Cu/Chabazit-Zeolith-SCR-Katalysators zeigt, wenn sie simuliertem Magerverbrennungsmotor-Abgas ausgesetzt werden;
  • 7 ein Diagramm ist, das die NOx-Umwandlungseffizienz eines Cu/Chabazit-Zeolith-SCR-Katalysators und eines Paars von Fe/β-Zeolith-SCR-Katalysatoren (einer entgrünt und einer bei hoher Temperatur gealtert), wenn sie einem simulierten Magerverbrennungsmotor-Abgas ausgesetzt werden, zeigt;
  • 8 ein Diagramm ist, das die Oxidationsfähigkeiten von La0,9Sr0,1CoO3-Partikeln für verschiedene Reaktionen zeigt, wenn sie simuliertem Magerverbrennungsmotor-Abgas ausgesetzt werden;
  • 9 ein Diagramm ist, das die NO-zu-NO2-Oxidationsleistungsfähigkeit eines entgrünten Fe/β-Zeolith-SCR-Katalysators, von La0,9Sr0,1CoO3-Partikeln und drei entgrünten bifunktionellen Katalysatormaterialien, jedes mit einer unterschiedlichen Beladung mit La0,9Sr0,1CoO3-Partikeln, zeigt, wenn sie simuliertem Magerverbrennungsmotor-Abgas ausgesetzt werden;
  • 10 ein Diagramm ist, das die NO-zu-NO2-Oxidationsleistungsfähigkeit eines bei hoher Temperatur gealterten Fe/β-Zeolith-SCR-Katalysators, von La0,9Sr0,1CoO3-Partikeln und von drei bei hoher Temperatur gealter-ten bifunktionellen Katalysatormaterialien, jedes mit unterschiedlicher Beladung mit La0,9Sr0,1CoO3-Partikeln, zeigt, wenn sie simuliertem Magerverbrennungsmotor-Abgas ausgesetzt werden;
  • 11 ein Diagramm ist, das die NH3-Oxidationsleistungsfähigkeit eines entgrünten Fe/β-Zeolith-SCR-Katalysators, von La0,9Sr0,1CoO3-Partikeln und von drei entgrünten bifunktionellen Katalysatormaterialien, jedes mit unterschiedlicher Beladung mit La0,9Sr0,1CoO3-Partikeln, zeigt, wenn sie simuliertem Magerverbrennungsmotor-Abgas ausgesetzt werden;
  • 12 ein Diagramm ist, das die NH3-Oxidationsleistungsfähigkeit eines bei hoher Temperatur gealterten Fe/β-Zeolith-SCR-Katalysators, von La0,9Sr0,1CoO3-Partikeln und von drei bei hoher Temperatur gealterten bifunktionellen Katalysatormaterialien, jedes mit unterschiedlicher Beladung mit La0,9Sr0,1CoO3-Partikeln, zeigt, wenn sie simuliertem Magerverbrennungsmotor-Abgas ausgesetzt werden;
  • 13 ein Diagramm ist, das zeigt, wie viel der in 11 gezeigten NH3-Oxidation in der Bildung von NOx resultierte;
  • 14 ein Diagramm ist, das zeigt, wie viel der in 12 gezeigten NH3-Oxidation in der Bildung von NOx resultierte;
  • 15 ein Diagramm ist, das zeigt, wie viel der in 11 gezeigten NH3-Oxidation in der Bildung von N2 resultierte;
  • 16 ein Diagramm ist, das zeigt, wie viel der in 12 gezeigten NH3-Oxidation in der Bildung von N2 resultierte;
  • 17 ein Diagramm ist, das die NOx-Umwandlungsleistungsfähigkeit eines entgrünten Fe/β-Zeolith-SCR-Katalysators und von drei entgrünten bifunktionellen Katalysatormaterialien, jedes mit unterschiedlicher Beladung mit La0,9Sr0,1CoO3-Partikeln, zeigt, wenn diese einem simulierten Magerverbrennungsmotor-Abgas ausgesetzt werden;
  • 18 ein Diagramm ist, das die NOx-Umwandlungsleistungsfähigkeit eines bei hoher Temperatur gealterten Fe/β-Zeolith-SCR-Katalysators und von drei bei hoher Temperatur gealterten bifunktionellen Katalysatormaterialien, jedes mit unterschiedlicher Beladung mit La0,9Sr0,1CoO3-Partikeln, zeigt, wenn sie einem simulierten Magerverbrennungsmotor-Abgas ausgesetzt werden.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und soll in keiner Weise die beanspruchte Erfindung (die beanspruchten Erfindungen), ihre Anwendung oder ihre Verwendungen beschränken.
  • Es wurde ein bifunktionelles Katalysatormaterial entwickelt, das (1) NO zu NO2 oxidieren kann und (2) selektiv NOx zu N2 reduzieren kann, wenn es einem Abgasgemisch ausgesetzt wird, welches einen heißen, an Sauerstoff reichen Abgasstrom, der aus einem Magerverbrennungsmotor ausströmt, gemischt mit einem geeigneten Reduktionsmittel umfasst. Das bifunktionelle Katalysatormaterial umfasst Metalloxidpartikel, die aus der Gruppe, bestehend aus Perowskitoxid-Partikeln und Mangan enthaltenden Mischmetalloxid-Partikeln, ausgewählt sind, die auf einem Katalysator der selektiven katalytischen Reduktion (SCR) fein verteilt sind. Die Metalloxidpartikel sind im Allgemeinen für ein Oxidieren von NO zu NO2 verantwortlich und der SCR-Katalysator ist im Allgemeinen für ein Reduzieren von NOx (beides NO und NO2) zu N2 in Gegenwart des Reduktionsmittels verantwortlich. Dies bedeutet allerdings nicht, dass die katalytischen Funktionen der Metalloxidpartikel und des SCR-Katalysators sich gegenseitig ausschließend sind. Sie können sich sehr wohl in der katalytischen Funktion (NO-Oxidation und NOx-Reduktion) etwas überlappen und/oder einige synergistische Effekte, die den Metalloxidpartikeln und dem SCR-Katalysator zugeschrieben werden, wenn sie in dem bifunktionellen Katalysatormaterial enthalten sind, aufweisen.
  • Das bifunktionelle Katalysatormaterial kann in einem SCR-Konverter oder einer anderen Komponente, die einen Teil eines Abgas-Nachbehandlungssystems für einen Magerverbrennungsmotor, zum Beispiel, aber nicht beschränkt auf, einen Motor mit kompressionsgezündeter Verbrennung (Dieselmotor), einen Magerverbrennungs-Fremdzündungsmotor (Benzinmotor), zum Beispiel einen funkengezündeter Direkteinspritzmotor (SIDI-Motor) oder einen Motor mit homogener kompressionsgezündeter Verbrennung (HCCI-Motor), bildet, verwendet werden. Jede Bezugnahme in dieser Offenbarung auf das durch den Magerverbrennungsmotor produzierte Abgas, bezieht sich, wenn nichts anderes spezifiziert ist, auf Abgas, das aus der Verbrennung eines mageren Gemisches aus Luft und Kraftstoff erzeugt wird. Die genaue Konzentration der verschiedenen Emissionen (NOx, CO, HCs) in dem durch den Magerverbrennungsmotor produzierten Abgas kann in Abhängigkeit von einer Vielzahl von Faktoren variieren.
  • Das bifunktionelle Katalysatormaterial kann zu signifikanten Kosteneinsparungen im Konzept und bei der Konstruktion des Abgas-Nachbehandlungssystems beitragen. Die duale katalytische Aktivität des bifunktionellen Katalysatormaterials kann zum Beispiel dabei helfen, die Niedrigtemperatur-NOx-Umwandlungseffizienz des SCR-Konverters zu verbessern, ohne prinzipiell auf einen stromaufwärts angeordneten Oxidationskatalysator angewiesen zu sein, um das molare Zuführungsverhältnis von NO zu NO2 zu beeinflussen. Das bifunktionelle Katalysatormaterial kann außerdem einiges des CO und der HCs, die in dem Abgasgemisch enthalten sind, oxidieren, um so eine Verringerung des katalytischen Bedarfs an stromabwärts angeordnetem Diesel-Oxidationskatalysator oder Drei-Wege-Katalysator, wenn vorhanden, zu unterstützen. Ein solches Merkmal kann es ermöglichen, das stromabwärts angeordneter Diesel-Oxidationskatalysator oder Drei-Wege-Katalysator eine geringere Menge an PGMs umfasst, als es herkömmlicher gerechtfertigt ist, da nur restliches CO und restliche HCs, die durch das bifunktionelle Katalysatormaterial nicht entfernt wurden, oxidiert werden müssen. Die Option, auf einen stromaufwärts angeordneten Oxidationskatalysator zu verzichten und die verringerte PGM-Katalysatorbeladung von stromabwärts angeordneten Diesel-Oxidations- und Drei-Wege-Katalysatoren kann das gesamte Katalysatorvolumen und die Menge an teueren PGMs, die im Abgas-Nachbehandlungssystem im Vergleich zu ähnlichen herkömmlichen Systemen eingesetzt werden, verringern. Eine Verringerung an Katalysatorvolumen kann außerdem die Größenanforderungen des Abgas-Nachbehandlungssystems minimieren, was bei Kraftfahrzeuganwendungen zu einer kompakteren und/oder flexibleren Packung beitragen kann. Das bifunktionelle Katalysatormaterial hat auch die Fähigkeit gezeigt, seine katalytische Aktivität über die Zeit trotz der Alterung beizubehalten. Es wird davon ausgegangen, dass das Vorliegen von Metalloxidpartikeln zu dieser Qualität beiträgt.
  • 1 zeigt, als eine Ausführungsform, eine generalisierte und schematische Darstellung eines SCR-Konverters 110, der das bifunktionelle Katalysatormaterial beinhaltet. Der SCR-Konverter 110 kann in einem Abgas-Nachbehandlungssystem eingeschlossen sein, um die Entfernung von NOx-Emissionen aus einem Abgasgemisch 20 zu unterstützen. Das Abgasgemisch 20 kann einen Abgasstrom, der durch einen Magerverbrennungsmotor (nicht gezeigt) produziert wird, und ein geeignetes Reduktionsmittel, das in den Abgasstrom eingeführt und damit gemischt wurde, umfassen. Das Malverhältnis von NO zu NO2 in dem Abgasgemisch kann im Vergleich zu dem ursprünglich durch den Magerverbrennungsmotor produzierten im Wesentlichen unverändert sein (+/–5%), wenn der Abgasstrom nicht über einen stromaufwärts angeordneten Oxidationskatalysator mit einer signifikanten Platinbeladung, zum Beispiel ein herkömmlicher Diesel-Oxidationskatalysator, geht. Der SCR-Konverter 110 kann ein Gehäuse 12 umfassen, das einen Substratkörper 14 einschließt, an dem das bifunktionelle Katalysatormaterial gehalten wird.
  • Das Gehäuse 12 kann einen Einlass 16 und einen Auslass 18 definieren. Der Einlass 16 nimmt das Abgasgemisch 20 auf und der Auslass 18 gibt ein NOx-behandeltes Abgasgemisch 22 stromabwärts zu dem SCR-Konverter 110 ab. Das Gehäuse 12 kann so aufgebaut sein, dass das Abgasgemisch 20 vom Einlass 16 zu dem Auslass 18 und durch den Substratkörper 14 geht, um eine innige Exposition zwischen dem Abgasgemisch 20 und dem bifunktionellen Katalysatormaterial zu induzieren. Der Substratkörper 14 kann aus einem Material hergestellt sein, das in der Lage ist, die Temperaturen und die chemische Umgebung, die mit dem Abgasgemisch 20 verbunden sind, auszuhalten. Einige spezifische Beispiele für Materialien, die verwendet werden können, umfassen Keramik, zum Beispiel extrudiertes Cordierit, α-Aluminiumoxid, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Zirkonia, Mullit, Spodumen, Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Magnesiumoxid, Zirkoniumsilikat, Sillimanit, Petalit oder ein hitze- und korrosionsbeständiges Metall, zum Beispiel Titan oder Edelstahl.
  • Es sind verschiedene Konstruktionen des Substratkörpers 14 möglich. Der Substratkörper 14 kann, in einer Ausführungsform, eine monolithische Honigwabenstruktur sein, die Hunderte von parallelen Durchströmungszellen bzw. Durchflusszellen pro Quadrat-Inch, die sich durch den Substratkörper 14 erstrecken, umfasst. Jede der Durchflusszellen kann durch eine Wandoberfläche definiert werden, an der das bifunktionelle Katalysatormaterial angebracht ist bzw. befestigt ist. Der Substratkörper 14 kann in einer anderen Ausführungsform ein gepacktes Bett sein, das aus vielen Perlen oder Pellets besteht. Und wie bei der monolithischen Honigwabenstruktur kann das bifunktionelle Katalysatormaterial an der Oberfläche der dicht gepackten Perlen oder Pellets anhaften bzw. angebracht sein.
  • In Verbindung mit dem bifunktionellen Katalysatormaterial kann ein beliebiges Reduktionsmittel eingesetzt werden, um NOx zu N2 zu reduzieren, zum Beispiel Ammoniak, ein Kohlenwasserstoff oder ein oxygenierter Kohlenwasserstoff. Das Reduktionsmittel kann durch ein beliebiges geeignetes Verfahren stromaufwärts zu dem bifunktionellen Katalysatormaterial in den Abgasstrom eingeführt und mit diesem gemischt werden, um das Abgasgemisch 20 zu bilden.
  • Ammoniak zum Beispiel kann in den Abgasstrom aus einem fahrzeuginternen und wieder auffüllbarem Lagertank eingespritzt werden oder kann alternativ passiv aus nativem NOx über einen eng gekoppelten TWC-Katalysator während periodischer Momente erzeugt werden, wenn der Magerverbrennungsmotor ein reiches Gemisch aus Luft und Kraftstoff verbrennt. Eine vollständigere Diskussion der passiven Ammoniakerzeugung kann in der US-Patentanmeldung, Publikations-Nr. 2010/0043402, der gleichen Anmelderin wie die vorliegende Anmeldung gefunden werden. Ammoniakgas kann auch in den Abgasstrom eingeführt werden, indem eine Ammoniak abspaltende Verbindung, zum Beispiel Harnstoff, aus einem fahrzeuginternen und wieder auffüllbaren Lagertank in den Abgasstrom eingespritzt wird. Harnstoff kann als die Ammoniak abspaltende Verbindung verwendet werden, da es leicht Thermolyse- und Hydrolysereaktionen unter Bildung von Ammoniak in der heißen, an Sauerstoff reichen Umgebung, die mit dem Abgasstrom, der durch den Magerverbrennungsmotor erzeugt wird, assoziiert ist, unterliegt.
  • Dieselben allgemeinen Verfahren sind auch verfügbar, um einen Kohlenwasserstoff und/oder einen oxygenierten Kohlenwasserstoff in den Abgasstrom einzuleiten. Von Standard-Benzin- oder -Dieselkraftstoff stammende Kohlenwasserstoffe, zum Beispiel Alkane, die von Propan bis Dodecan reichen, können zum Beispiel in den Abgasstrom eingeführt werden, indem kurzzeitig ein reiches Gemisch aus Luft und Kraftstoff an den Magerverbrennungsmotor abgegeben wird, so dass unverbrannter Kraftstoff in dem Abgasstrom enthalten ist. Kohlenwasserstoffe können auch in den Abgasstrom eingeführt werden, indem ein Teil des Benzin- oder Dieselkraftstoffs um den Magerverbrennungsmotor gelenkt wird, der Kraftstoff reformiert wird und der reformierte Kraftstoff dann in den Abgasstrom eingespritzt wird. Ein oxygenierter Kohlenwasserstoff, zum Beispiel Formaldehyd, Ethanol oder Acetaldehyd, kann aus einem fahrzeuginternen und wieder befüllbaren Lagertank in den Abgasstrom eingespritzt werden. Oxygenierte Kohlenwasserstoffe können auch aus nicht verbranntem Benzin- oder Dieselkraftstoff, der in dem Abgasstrom vorliegt, oder aus Benzin- oder Dieselkraftstoff, der um den Verbrennungsmotor herum geleitet, reformiert und dann in den Abgasstrom eingespritzt wurde, stammen. Mehrere Beispiele für Verfahren, bei denen Kohlenwasserstoffe oder oxygenierte Kohlenwasserstoffe in den Abgasstrom eingespritzt werden, werden in den US-Patenten Nr. 7 093 429 und 6 957 528 der gleichen Anmelderin wie die der vorliegenden Anmeldung und in der US-Patentanmeldung, Publikation 2008/0127634, der gleichen Anmelderin wie die vorliegende Anmeldung beschrieben.
  • Die Perowskitoxid-Partikel, die fein auf dem SCR-Katalysator verteilt sein können, umfassen eine Klasse von Verbindungen, die durch die allgemeine Formel ABO3 definiert wird. Die Atome ”A” und ”B” können komplementäre Kationen unterschiedlicher Größe sein, die mit Sauerstoffanionen koordinieren. Eine Einheitszelle der ABO3-Kristallstruktur kann eine kubisch dichteste Packungsanordnung zeigen, wobei das ”A”-Kation, das im Allgemeinen das größere der zwei Kationen ist, zentral angeordnet ist und von acht ”B”-Kationen, die sich in den oktaedrischen Lücken der Packungsanordnung befinden, umgeben ist. Die Kationen ”A” und ”B” koordinieren in einer derartigen Packungsanordnung mit zwölf bzw. sechs Sauerstoffanionen. Die Einheitszelle der ABO3-Kristallstruktur ist allerdings nicht notwendigerweise auf eine kubisch dichteste Packungsanordnung beschränkt. Bestimmte Kombinationen der Kationen ”A” und ”B” nehmen eine orthorhombische, rhomboedrische oder monoklinische Packungsstruktur an. Geringe Mengen der Kationen ”A” und/oder ”B” können darüber hinaus mit verschiedenen Promotorkationen ähnlicher Gräte ”A1” und ”B1” ersetzt sein, wodurch eine Superzellen-Kristallstruktur erhalten wird, die von der allgemeinen ABO3-Kristallstruktur abgeleitet wird und durch die allgemeine Formel A1-xA1xB1-yB1yO3 bezeichnet wird, wenn beide, X und Y, im Bereich von 0 bis 1 liegen.
  • Die Perowskitoxid-Partikel können dasselbe Perowskitoxid oder ein Gemisch aus zwei oder mehr Perowskitoxiden umfassen. Viele Kombinationen von Perowskitoxiden sind zur Verwendung in dem bifunktionellen Katalysatormaterial verfügbar, da nicht weniger als 27 Kationen als das ”A”-Kation verwendet werden können und nicht weniger als 36 Kationen als das ”B”-Kation verwendet werden können. Eine Auflistung der Kationen, die am häufigsten als das ”A”-Kation verwendet werden, umfasst Calcium (Ca), Strontium (Sr), Barium (Ba), Wismut (Bi), Cadmium (Cd), Cer (Ce), Blei (Pb), Yttrium (Y) und Lanthan (La), während eine Auflistung der Kationen, die am üblichsten als das ”B”-Kation verwendet werden, die von Kobalt (Co), Titan (Ti), Zirkonium (Zr), Niob (Nb), Zinn (Sn), Cer (Ce), Aluminium (Al), Nickel (Ni), Chrom (Cr), Mangan (Mn), Kupfer (Cu) und Eisen (Fe) umfasst. Einige spezifische und beispielhafte Perowskitoxide, die die Peroskitoxid-Partikel ganz oder teilweise bilden, umfassen LaCoO3, La0,9Sr0,1CoO3, LaMnO3, La0,9Sr0,1MnO3, LaFeO3 und LaSr0,1Fe0,9O3.
  • Die Mangan enthaltenden Mischmetalloxid-Partikel, die auf dem SCR-Katalysator fein verteilt sein können, können wenigstens eines von Mangan-Cer-Oxiden (MnxCeyOz), Mangan-Zirkonium-Oxiden (MnxZrwOz) oder Mangan-Cer-Zirkonium-Oxiden (MnxCeyZrwOz), wobei X im Bereich von 0,02 bis 0,98 liegt, Y im Bereich von 0,02 bis 0,98 liegt, W im Bereich von 0,02 bis 0,98 liegt und Z im Bereich von 1,0 bis 3,0 liegt, umfassen. Einige spezifische Beispiele für geeignete Mangan enthaltende Mischmetalloxide umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, 0,5MnOv-0,5CeO2, worin V im Bereich von 2 bis 3 liegt, 0,3MnOv-0,7CeO2, worin V im Bereich von 2 bis 3 liegt, 0,1MnOv-0,9CeO2. worin V im Bereich von 2 bis 3 liegt, Mn0,1Ce0,9O2, Mn0,2Ce0,8O1.9 und Mn0,5Ce0,5O1,75.
  • Die Perowskitoxid-Partikel und die Mangan enthaltenden Mischmetalloxid-Partikel können ebenso effizient wie Platin katalytisch NO zu NO2 oxidieren, wenn sie dem Abgasgemisch 20 ausgesetzt werden. Obgleich keine Bindung an eine Theorie gewünscht wird, wird angenommen, dass die Perowskitoxid- und die Mangan enthaltenden Mischmetalloxid-Partikel Sauerstoffanionen an NO-Moleküle abgeben, um die Bildung von NO2 zu ermöglichen, während sie vorübergehend Sauerstoff-Leerstellen in ihren Kristallstrukturen bilden. Leicht verfügbarer Sauerstoff, der in dem Motorabgas enthalten ist, dissoziiert dann, um solche Sauerstoffanionen-Leerstellen zu füllen und möglicherweise zusätzliche NO-Moleküle zu oxidieren. Die Fähigkeit der Perowskitoxid- und der Mangan enthaltenden Mischmetalloxid-Partikel, NO effizient zu NO2 zu oxidieren, kann die Notwendigkeit, PGB-basierte Katalysatoren stromaufwärts zu dem bifunktionellen Katalysatormaterial als Mechanismus zur Verstärkung der Niedrigtemperatur-NOx-Umwandlungseffizienz des SCR-Konverters 110 zu positionieren, deutlich verringern oder sogar eliminieren. Das bifunktionelle Katalysatormaterial kann als Resultat die Entwicklung und Konstruktion eines Abgas-Nachbehandlungssystems erleichtern, welches weniger Katalysatorgesamtvolumen und eine geringere Menge an PGMs als ein vergleichbares Abgas-Nachbehandlungssystem, bei dem sich ein stark mit Platin beladener Oxidationskatalysator stromaufwärts zu einem herkömmlichen Reduktionsmittel-SCR-Konverter befindet, erfordert.
  • Die Menge der Metalloxid-Partikel, die in dem bifunktionellen Katalysatormaterial vorliegt, kann im Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-%, spezifischer von etwa 0,5 Gew.-% bis etwa 15 Gew.-% und noch spezifischer von etwa 1,0 Gew.-% bis etwa 12 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des bifunktionellen Katalysatormaterials, liegen. Die spezifische Metalloxid-Partikel-Beladung kann, wenn dies gewünscht wird, basierend auf dem normalen erwarteten Betriebstemperaturfenster des Abgases, das durch den betreffenden Magerverbrennungsmotor produziert wird, und der Alterung des bifunktionellen Katalysatormaterials, gewählt werden. Höhere Metalloxid-Partikel-Beladungen tendieren dazu, NOx bei niedrigeren Abgastemperaturen (bis zu etwa 350°C) effizienter zu N2 umzuwandeln, und umgekehrt tendieren niedrigere Metalloxid-Partikel-Beladungen dazu, NOx bei höheren Abgastemperaturen (etwa 350°C und höher) effizienter zu N2 umzuwandeln. Eine Hochtemperatur-Alterung kann außerdem die NO-Oxidationseffizienz und die N2-Selektivität des bifunktionellen Katalysatormaterials beeinflussen. Eine derartige Alterung verbessert im Allgemeinen die N2-Selektivität des bifunktionellen Katalysators bei höheren Temperaturen auf Kosten der NO-Oxidationseffizienz bei niedrigeren Temperaturen. Es kann jede geeignete Technik eingesetzt werden, um die Metalloxid-Partikel fein auf dem SCR-Katalysator zu verteilen, einschließlich Washcoating und anfängliche Nassimprägnierung.
  • Der SCR-Katalysator kann ein beliebiges Material sein, das die Reduktion von NOx zu N2 erleichtert, wenn er dem Abgasgemisch 20 ausgesetzt wird. Der SCR-Katalysator ist im Allgemeinen ein poröses Material mit hoher spezifischer Oberfläche, von dem eine große Vielzahl im Handel erhältlich ist. Der spezifische SCR-Katalysator, der verwendet wird, um das bifunktionelle Katalysatormaterial zu formulieren, kann im Allgemeinen von verschiedenen Faktoren abhängen, einschließlich des bestimmten Reduktionsmittels, das ausgewählt wird, um das Abgasgemisch 20 zu bilden. Der SCR-Katalysator kann in einer Ausführungsform ein Ionen-ausgetauschter Basis-Metallzeolith oder ein Basis-Metalloxid sein, wenn das Reduktionsmittel Ammoniak ist. Einige Beispiele für geeignete Ionenausgetauschte Basis-Metallzeolithe umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, einen β-Zeolithen, der mit Cu oder Fe Ionen-ausgetauscht ist, und einen Zeolith des MFI-Typs (d. h. ZSM-5), der mit Cu oder Fe Ionen-ausgetauscht ist. Einige Beispiele für geeignete Basis-Metalloxide umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, V2O5-WO3/TiO2 und V2O5/TiO2. In einer anderen Ausführungsform kann der SCR-Katalysator allerdings ein auf Silber getragenes Aluminiumoxid (Ag/Al2O3) sein oder kann einen Ionenausgetauschter Basis-Metallzeolith sein, wenn das Reduktionsmittel ein Kohlenwasserstoff oder ein oxygenierter Kohlenwasserstoff ist. Einige Beispiele für geeignete Ionen-ausgetauschte Basis-Metallzeolithe umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, Zeolith des Y-Typs, der mit Na, Ba, Cu oder CuCo Ionen-ausgetauscht ist.
  • Die bestimmte Zusammensetzung des bifunktionellen Katalysatormaterials kann auf der Basis einer Reihe von Faktoren, einschließlich des Typs und der normalen erwarteten Betriebsparameter des Magerverbrennungsmotors, des bestimmten verwendeten Reduktionsmittels und des Konzepts und der Konstruktion des Abgas-Nachbehandlungssystems, das das bifunktionelle Katalysatormaterial beinhaltet, formuliert werden. Das bifunktionelle Katalysatormaterial kann zum Beispiel etwa 10 bis 15 Gew.-% Metalloxid-Partikel, die auf einen Cu-ausgetauschten oder Fe-ausgetauschten β-Zeolithen durch Washcoating aufgetragen sind, umfassen. Diese bestimmte Zusammensetzung des bifunktionellen Katalysatormaterials kann in ein Abgas-Nachbehandlungssystem für einen Magerverbrennungsmotor eingebaut werden, von dem erwartet wird, dass er im Allgemeinen bei niedrigen Geschwindigkeiten und mit niedrigem Belastungsbedarf arbeitet, und wobei das zur Bildung des Abgasgemisches 20 verwendete Reduktionsmittel Ammoniak ist. Das bifunktionelle Katalysatormaterial kann als weiteres Beispiel auch etwa 0,5–2,0 Gew.-% Metalloxid-Partikel umfassen, die durch Washcoating auf durch Silber getragenes Aluminiumoxid aufgetragen sind. Diese bestimmte bifunktionelle Katalysatormaterialzusammensetzung kann in ein Abgas-Nachbehandlungssystem für einen Magerverbrennungsmotor eingebaut werden, von dem erwartet wird, dass er im Allgemeinen bei hohen Geschwindigkeiten und/oder mit einem hohen Beladungsbedarf betrieben wird, und bei dem das Reduktionsmittel, das zur Bildung des Abgasgemisches 20 verwendet wird, ein Kohlenwasserstoff oder ein oxygenierter Kohlenwasserstoff ist. Andere Zusammensetzungen des bifunktionellen Katalysatormaterials können natürlich von Fachleuten, die mit der selektiven katalytischen Reduktion von NOx, ihren vielen Anwendungen und wie eine derartige Technologie am besten in ein Abgas-Nachbehandlungssystem für einen Magerverbrennungsmotor einzubauen ist, vertraut sind und diese verstehen, formuliert und verwendet werden.
  • Das bifunktionelle Katalysatormaterial kann in einem weiten Bereich von Konzepten für ein Abgas-Nachbehandlungssystem enthalten sein, um die gasförmigen Emissionen, einschließlich NOx und suspendiertes partikuläres Material, wenn vorhanden, das aus dem Magerverbrennungsmotor ausgestoßen werden kann, zu entfernen. Fachleute sind mit den verschiedenen Konzepten für ein Abgas-Nachbehandlungssystem, das an einen Magerverbrennungsmotor angeschlossen werden kann, vertraut. Eine detaillierte Erläuterung der vielen Abgas-Nachbehandlungssysteme, einschließlich ihres Betriebs und des Betriebs ihrer einzelnen Komponenten, ist im Allgemeinen nicht notwendig, um die vielen möglichen Anwendungen des bifunktionellen Katalysatormaterials zu verstehen. Einige beispielhafte Ausführungsformen eines Abgas-Nachbehandlungssystems, die den SCR-Konverter 110 (oder die numerischen Varianten 210, 310, 410) und das bifunktionelle Katalysatormaterial umfassen, sind dessen ungeachtet im Folgenden beschrieben.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung der relevanten Teile eines Abgas-Nachbehandlungssystems 100 für ein Fahrzeug, das mit einem Kompressions-gezündeten (Diesel-)Motor 102 betrieben wird. Das Abgas-Nachbehandlungssystem 100 erhält einen Abgasstrom 104 aus dem Dieselmotor 102 und überträgt einen behandelten Abgasstrom 116 in Richtung eines Auspuffendrohrs 108 zum Ausstoßen in die Atmosphäre. Das Abgas-Nachbehandlungssystem 100 kann den SCR-Konverter 110 und einen Reduktionsmittel-Injektor 112, durch ein Rohr mit einem fahrzeuginternen und nachfüllbaren Reduktionsmittel-Lagertank 114 verbunden, umfassen, um die Entfernung von NOx aus dem Abgasstrom 104 zu unterstützen. Das in dieser Ausführungsform verwendete Reduktionsmittel ist Harnstoff. In dem Abgas-Nachbehandlungssystem 100 kann eine Vielzahl anderer Vorrichtungen eingeschlossen sein, um die Entfernung von anderen unerwünschten gasförmigen Emissionen und/oder von suspendiertem partikulärem Material zu unterstützen. Diese Vorrichtungen umfassen einen Diesel-Oxidationskonverter 116 und einen Dieselpartikelfilter 118. Andere Vorrichtungen, die in 2 nicht ausdrücklich gezeigt sind, können ebenfalls in dem Abgas-Nachbehandlungssystem 100 enthalten sein, was im Rahmen des Verständnisses eines Fachmanns liegt.
  • Der Dieselmotor 102 und spezifischer seine Verbrennungskammern wird/werden mit einem mageren Gemisch aus Luft und Kraftstoff (mageres A/F-Gemisch) 124 beschickt. Das magere A/F-Gemisch 124 enthält mehr Luft als dies stöchiometrisch notwendig ist, um den Kraftstoff zu verbrennen, und diese wird typischerweise durch bekannte mechanische oder elektronische Mechanismen reguliert. Das Luft-zu-Kraftstoff-Massenverhältnis des mageren A/F-Gemisches 124 kann im Allgemeinen im Bereich von etwa 15 bis etwa 50 liegen, und zwar in Abhängigkeit von Motorlast und UPM. Die Verdichtungs-injizierte Verbrennung des mageren A/F-Gemisches 124 im Dieselmotor 102 erzeugt mechanische Energie zum Antreiben des Fahrzeugs und den Abgasstrom 104, der zu dem Abgas-Nachbehandlungssystem 100 geleitet wird.
  • Der Abgasstrom 104 enthält im Allgemeinen eine relativ große Menge an N2 und O2, etwas suspendiertes partikuläres Material, das aus unverbrannten Kohlenwasserstoffen mit hohem Molekulargewicht und anderen Partikeln besteht, und verschiedene unerwünschte gasförmige Emissionen, die aus folgenden bestehen: (1) CO, (2) HCs und (3) einem NOx-Anteil, der in erster Linie aus NO und NO2 besteht. Der NOx-Anteil des Abgasstroms 104 kann zwischen etwa 50 und etwa 1500 ppm schwanken. Das Verhältnis von NO- und NO2-Partikeln in dem NOx-Anteil liegt üblicherweise im Bereich von etwa 80% bis 95% NO und etwa 5% bis 20% NO2. Eine derartige NO/NO2-Partikelverteilung entspricht einem Molverhältnis von NO zu NO2, das im Bereich von etwa 4 bis etwa 19 liegt. Der Abgasstrom 104 kann Temperaturen von bis zu 900°C erreichen, was von der Entfernung zwischen dem Dieselmotor 102 und dem Abgas-Nachbehandlungssystem 100 sowie dem Vorliegen zwischengeschalteter Komponenten, zum Beispiel eine Turboladerturbine und/oder eine AGR-Ablassleitung, abhängt. Die Temperatur des Abgasstroms 104 zusammen mit dem O2-Gehalt, der relativ hoch ist, und dem CO- und HC-Gehalt, der relativ niedrig ist, begünstigen eine oxidierende Umgebung im Abgasstrom 104.
  • Das Abgas-Nachbehandlungssystem 100 nimmt den Abgasstrom 104 auf und kombiniert, in dieser Ausführungsform, den Abgasstrom 104 mit Ammoniak unter Bildung des Abgasgemisches 120. Der Ammoniak kann durch Einspritzen von Harnstoff, der in dem Reduktionsmittel-Lagertank 114 gelagert wird, in den Abgasstrom 104 durch den Reduktionsmittel-Injektor 112 zugeführt werden. Der Harnstoff verdampft schnell und unterliegt Thermolyse- und Hydrolysereaktionen in dem heißen und sauerstoffreichen Abgasstrom 104 unter Erzeugung von Ammoniak und Bildung des Abgasgemisches 120. Die Menge an Harnstoff, die in den Abgasstrom 104 eingespritzt wird, kann überwacht werden und durch bekannte Regulierungstechniken reguliert werden, die versuchen, die Ammoniakmenge, die im Abgasgemisch 120 vorliegt, trotz Fluktuationen bei der Temperatur, chemischen Zusammensetzung und Strömungsrate des Abgasstroms 104 zu regulieren. Ein Mischer 126 oder eine andere geeignete Vorrichtung kann stromabwärts zu dem SCR-Konverter 110 angeordnet sein, um die Verdampfung des eingespritzten Harnstoffs zu unterstützen und kleine Partikel aus Ammoniak homogen im Abgasgemisch 120 zu verteilen.
  • Der SCR-Konverter 110 nimmt das Abgasgemisch 120 auf, wandelt NOx, das in dem Abgasgemisch 120 enthalten ist, in N2 um und lässt dann einen NOx-behandelten Abgasstrom 122 zur Weiterbehandlung durch das Abgas-Nachbehandlungssystem 100 ausströmen. In dem SCR-Konverter 110 ist eine extrudierte monolithische Cordierit-Honigwabenstruktur untergebracht, die mehrere Hundert bis mehrere Tausend parallele Durchflusszellen hat, durch welche das Abgasgemisch 120 geht. Das bifunktionelle Katalysatormaterial, das einen SCR-Katalysator und Perowskitoxid-Partikel, Mangan enthaltende Mischmetalloxid-Partikel oder ein Gemisch aus Perowskitoxid-Partikeln und Mangan enthaltenden Mischmetalloxid-Partikeln fein verteilt auf dem SCR-Katalysator umfassen kann, ist durch Washcoating auf die Bienenwabenstruktur in den vielen Durchflusszellen aufgetragen. Der SCR-Katalysator kann in dieser Ausführungsform einen Fe/β-Zeolithen umfassen, da das in den Abgasstrom 104 eingespritzte Reduktionsmittel Harnstoff ist. Das bifunktionelle Katalysatormaterial wandelt NOx zu N2 um, wie es vorher beschrieben wurde; das heißt, die Metalloxid-Partikel oxidieren im Allgemeinen NO zu NO2, so dass das Molverhältnis von NO zu NO2 für eine effektivere Niedrigtemperatur-NOx-Reduktion abnimmt und gleichzeitig der SCR-Katalysator im Allgemeinen NOx zu N2 reduziert, indem verschiedene chemische Reaktionen zwischen NO, NO2 und NH3 erleichtert werden. Das bifunktionelle Katalysatormaterial kann das Molverhältnis von NO zu NO2 auf unter 3 und vorzugsweise auf etwa 1 reduzieren.
  • Der Diesel-Oxidationskonverter 116, der stromabwärts zu dem SCR-Konverter 110 angeordnet ist, nimmt den NOx-behandelten Abgasstrom 122 auf und entfernt noch vorhandenes CO und noch vorhandene HCs. In dem Diesel-Oxidationskonverter 116 ist ein Diesel-Oxidationskatalysator untergebracht, der eine Kombination aus Platin und Palladium oder eine andere geeignete Oxidationskatalysatorformulierung umfassen kann. Der NOx-behandelte Abgasstrom 122 geht durch den Diesel-Oxidationskonverter 116 und erreicht eine innige Exposition gegenüber dem Diesel-Oxidationskatalysator unter Begünstigung der Oxidation von CO (zu CO2) und HCs (zu CO2 und H2O). Die Menge an Platin und Palladium, die verwendet werden, um den Diesel-Oxidationskatalysator herzustellen, kann allerdings viel niedriger sein als die, die üblicherweise in herkömmlichen Diesel-Oxidationskatalysatoren gefunden wird. Der Grund ist, dass der stromaufwärts angeordnete SCR-Konverter 110, wie es vorher beschrieben wurde, das bifunktionelle Katalysatormaterial umfasst und in der Lage ist, CO und HCs zusammen mit NO zu oxidieren. Daher wird die Notwendigkeit, dass herkömmliche Mengen an Platin und Palladium in dem Diesel-Oxidationskatalysator enthalten sind, vermieden, da das Abgas-Nachbehandlungssystem 100 wirksam funktionieren kann, wenn der Diesel-Oxidationskonverter 116 nur das restliche CO und restliche HCs oxidiert, die durch den SCR-Konverter 110 gehen. Platin kann in einigen Fällen sogar vom Einschluss in den Diesel-Oxidationskatalysator weggelassen werden. Nichts verhindert hier, dass ein herkömmlich formulierter Diesel-Oxidationskatalysator in dem Diesel-Oxidationskonverter 116 verwendet wird, wenn dies gewünscht wird.
  • Der NOx-behandelte Abgasstrom 122, der aus dem Diesel-Oxidationskonverter 116 ausgetragen wird, wird dann zu dem Diesel-Partikelfilter 118 geleitet, um suspendiertes partikuläres Material zu entfernen. Der Diesel-Partikelfilter 118 kann nach einem beliebigen bekannten Plan konstruiert sein.
  • Der behandelte Abgasstrom 106, der aus dem Abgas-Nachbehandlungssystem 100 austritt, enthält hauptsächlich N2, O2, H2O und CO2. Der SCR-Konverter 110, der Diesel-Oxidationskonverter 116 und der Diesel-Partikelfilter 118 tragen jeweils zu einer wesentlichen Verringerung oder der vollständigen Eliminierung von unerwünschten gasförmigen Emissionen (CO, HCs und NOx) und suspendiertem partikulären Material bei. Das bifunktionelle Katalysatormaterial oxidiert NO zu NO2, CO zu CO2, HCs zu CO2 und H2O, und reduziert auch NOx zu N2. Der Diesel-Oxidationskatalysator 116 oxidiert restliches CO und restliche HCs, die durch den SCR-Konverter 110 gehen. Der Diesel-Partikelfilter 118 entfernt suspendiertes partikuläres Material. Es wird nicht erwartet, dass die Niedrigtemperatur-NOx-Umwandlungseffizienz des bifunktionellen Katalysatormaterials in Abwesenheit eines stromaufwärts angeordneten Oxidationskatalysators leidet. Noch wird erwartet, dass die Oxidationsleistungsfähigkeit des Diesel-Oxidationskatalysators durch die relativ kleinen Mengen an Platin, wenn überhaupt, und Palladium, nachteilig beeinflusst werden, wenn das Oxidationsrelief von NO, CO und HC betrachtet wird, das durch das bifunktionelle Katalysatormaterial für den Diesel-Oxidationskatalysator geliefert wird.
  • Es sollte einzusehen sein, dass das Abgas-Nachbehandlungssystem 100, das in 2 gezeigt ist, auf viele verschiedene Arten modifiziert werden kann. In einem alternativen Abgas-Nachbehandlungssystem 200, wie es in 3 gezeigt ist, kann zum Beispiel der Diesel-Oxidationskonverter 216 stromaufwärts zu dem SCR-Konverter 210 positioniert sein. Wenn der Diesel-Oxidationskonverter 216 in einer solchen Position angeordnet ist, kann die Menge an Platin und Palladium, die verwendet wird, um den Diesel-Oxidationskatalysator herzustellen, viel niedriger sein als die, die üblicherweise in herkömmlichen Diesel-Oxidationskatalysatoren gefunden wird, und zwar aus demselben Grund wie vorher beschrieben. Das heißt, der stromabwärts angeordnete SCR-Konverter 210 umfasst das bifunktionelle Katalysatormaterial und ist fähig, CO, HCs und NO zu NO2 mit einer Rate zu oxidieren, die ausreichend ist, um das NO:NO2-Molverhältnis zu einem gewünschteren Wert zu senken, während gleichzeitig NOx zu N2 reduziert wird. Der Diesel-Oxidationskonverter 216 kann als Resultat effektiv in dem Abgas-Nachbehandlungssystem 200 funktionieren, selbst wenn der Diesel-Oxidationskatalysator, der darin untergebracht ist, nur CO und HCs oxidiert. Unter Bezugnahme auf 2 und 3 kann als weiteres Beispiel Ammoniak direkt in den Abgasstrom 104, 204 anstelle von Harnstoff eingespritzt werden. Oder in einem anderen Beispiel kann das Reduktionsmittel Diesel-Kraftstoff anstelle von Ammoniak oder Harnstoff sein. Der Diesel-Kraftstoff kann durch einfaches Umleiten von etwas Diesel Kraftstoff um den Dieselmotor 102, 202 in den Abgasstrom 104, 204 eingeführt werden. Der Reduktionsmittel-Injektor 112, 212 und der Reduktionsmittel-Lagertank 114, 214 können in einem solchen Fall nicht benötigt werden, da Diesel-Kraftstoff bereits im Kraftstofftank des Fahrzeugs gelagert wird und für das Abgas-Nachbehandlungssystem 100, 200 leicht verfügbar ist. Das bifunktionelle Katalysatormaterial kann Ag/Al2O3 oder einen Cu-Co/Y-Zeolith als SCR-Katalysator umfassen, wenn Diesel-Kraftstoff als das Reduktionsmittel verwendet wird. In noch einem anderen Beispiel können der Diesel-Oxidationskonverter 116, 216 und der Diesel-Partikelfilter 118, 218 zu einer einzelnen Einheit kombiniert sein.
  • 4 zeigt eine schematische Darstellung der relevanten Teile eines Abgas-Nachbehandlungssystems 300 für ein Kraftfahrzeug, das durch einen Magerverbrennungs-Fremdzündungs-Motor (Benzin-Motor) 302, zum Beispiel einen SIDI-Motor, betrieben wird. Das Abgas-Nachbehandlungssystem 300 nimmt, wie in den vorherigen Ausführungsformen, einen Abgasstrom 304 aus dem Benzinmotor 302 auf und überträgt einen behandelten Abgasstrom 306 in Richtung eines Kraftfahrzeug-Auspuffendrohrs 308 zum Ausstoßen in die Atmosphäre. Das Abgas-Nachbehandlungssystem 300 kann den SCR-Konverter 310 und einen Reduktionsmittel-Injektor 312, der an einen fahrzeuginternen Reduktionsmittel-Lagertank 314 angeschlossen ist, umfassen, um eine Entfernung von NOx aus dem Abgasstrom 304 zu unterstützen. Das in dieser Ausführungsform verwendete Reduktionsmittel ist wiederum Harnstoff. Ein katalytischer Konverter 316 kann in dem Abgas-Nachbehandlungssystem 300 enthalten sein, um die Entfernung anderer unerwünschter gasförmiger Emissionen zu unterstützen. Weitere Vorrichtungen, die nicht ausdrücklich in 4 gezeigt sind, können auch in dem Abgas-Nachbehandlungssystem 300 enthalten sein, wie es ein Fachmann verstehen wird.
  • Die Benzinleitung 302 nimmt ein mageres Gemisch aus Luft und Kraftstoff (mageres A/F-Gemisch) 324 auf und verbrennt es. Das magere A/F-Gemisch 324 enthält mehr Luft als diese stöchiometrisch benötigt wird, um den Kraftstoff zu verbrennen, und dies wird typischerweise durch bekannte mechanische oder elektronische Mechanismen reguliert. Das Luftzu-Kraftstoff-Massenverhältnis des mageren A/F-Gemisches 324 kann im Allgemeinen im Bereich von etwa 20 bis etwa 65 liegen, was von der Motorlast und den UPM abhangt. Die durch Zündfunken unterstützte Verbrennung des mageren A/F-Gemisches 324 in dem Benzin-Motor 302 erzeugt mechanische Energie zum Antreiben des Fahrzeugs und den Abgasstrom 304, der zu dem Abgas-Nachbehandlungssystem 300 geleitet wird.
  • Der Abgasstrom 304 umfasst im Allgemeinen eine relativ große Menge an N2 und O2 zusammen mit verschiedenen unerwünschten gasförmigen Emissionen, die aus folgenden bestehen: (1) CO, (2) HCs und (3) einem NOx-Bestandteil, der in erster Linie aus NO und NO2 besteht. Der ND-Anteil des Abgasstroms 304 kann zwischen etwa 50 und etwa 1500 ppm schwanken. Das Verhältnis von NO- und NO2-Partikeln im NOx-Anteil liegt üblicherweise im Bereich von etwa 80% bis 95% NO und etwa 5% bis 20% NO2. Eine derartige NO/NO2-Partikelverteilung entspricht einem Molverhältnis von NO zu NO2, das im Bereich von etwa 4 bis etwa 19 liegt. Der Abgasstrom 304 kann Temperaturen von bis zu 900°C erreichen, was von dem Abstand zwischen dem Benzin-Motor 302 und dem Abgas-Nachbehandlungssystem 300 sowie von dem Vorhandensein von dazwischen hegenden Komponenten, zum Beispiel Turboladerturbine und/oder eine EGR-Bleed-Leitung, abhängt. Die Temperatur des Abgasstroms 304 zusammen mit dem O2-Gehalt, der relativ hoch ist, und dem CO- und HCs-Gehalt, die relativ niedrig sind, begünstigen eine oxidierende Umgebung im Abgasstrom 304.
  • Das Abgas-Nachbehandlungssystem 300 nimmt den Abgasstrom 304 auf und kombiniert, in dieser Ausführungsform, den Abgasstrom 304 mit Ammoniak unter Bildung des Abgasgemisches 320. Der Ammoniak kann durch Einspritzen von Harnstoff, der in dem Reduktionsmittel-Lagertank 314 gelagert wird, durch den Reduktionsmittel-Injektor 312 in den Abgasstrom 304 zugeführt werden. Der Harnstoff verdampft rasch und macht Thermolyse- und Hydrolyse-Reaktionen in dem heilen und sauerstoffreichen Abgasstrom 304 durch, wodurch Ammoniak erzeugt wird und das Abgasgemisch 320 gebildet wird. Die Menge an Harnstoff, die in den Abgasstrom 304 eingespritzt wird, kann durch bekannte Kontrollmechanismen überwacht und reguliert werden, wobei diese versuchen, die Menge an Ammoniak, die in dem Abgasgemisch 320 vorliegt, trotz Schwankungen bei der Temperatur, der chemischen Zusammensetzung und der Strömungsrate des Abgasstroms 304 zu regulieren. Ein Mischer 326 oder eine geeignete Vorrichtung kann stromaufwärts zum SCR-Konverter 310 angeordnet sein, um ein Verdampfen des eingespritzten Harnstoffs und eine homogene Verteilung von kleinen Ammoniak-Partikeln in dem Abgasgemisch 320 zu unterstützen.
  • Der SCR-Konverter 310 nimmt das Abgasgemisch 320 auf, wandelt NOx, das in dem Abgasgemisch 320 enthalten ist, in N2 um und trägt ein NOx-behandeltes Abgasgemisch 322 zur weiteren Behandlung durch das Abgas-Nachbehandlungssystem 300 aus. Der SCR-Konverter 310 beinhaltet eine extrudierte monolithische Cordierit-Honigwabenstruktur, die mehrere Hundert bis mehrere Tausend parallele Durchflusszellen hat, durch welche das Abgasgemisch 320 strömt. Das bifunktionelle Katalysatormaterial, das einen SCR-Katalysator und Perowskitoxid-Partikel, Mangan enthaltende Mischmetalloxid-Partikel oder ein Gemisch aus Perowskitoxid-Partikeln und Mangan enthaltenden Mischmetalloxid-Partikeln fein verteilt auf dem SCR-Katalysator umfassen kann, ist durch Washcoating auf die Honigwabenstruktur in die vielen Durchflusszellen aufgetragen. Der SCR-Katalysator kann in dieser Ausführungsform einen Fe/β-Zeolithen umfassen, da das Reduktionsmittel, das in den Abgasstrom 304 eingespritzt wird, Harnstoff ist. Das bifunktionelle Katalysatormaterial wandelt NOx zu N2 um, wie es vorher beschrieben wurde; das heißt, die Metalloxid-Partikel oxidieren im Allgemeinen NO zu NO2, so dass das Molverhältnis NO zu NO2 für eine effektivere Niedrigtemperatur-NOx-Reduktion abnimmt, und gleichzeitig reduziert der SCR-Katalysator im Allgemeinen NOx zu N2, indem verschiedene chemische Reaktionen zwischen NO, NO2 und NH3 erleichtert werden. Das bifunktionelle Katalysatormaterial kann das Molverhältnis NO zu NO2 auf unter 3 und vorzugsweise auf etwa 1 reduzieren.
  • Der katalytische Konverter 316, der stromabwärts zu dem SCR-Konverter 310 lokalisiert ist, nimmt den NOx-behandelten Abgasstrom 322 auf und entfernt CO oder HCs, die noch vorhanden sind. In dem katalytischen Konverter 316 befindet sich ein Drei-Wege-Katalysator (TWC), der eine Kombination aus Platin, Palladium und Rhodium umfassen kann. Das NOx-behandelte Abgasgemisch 322 geht durch den katalytischen Konverter 316 und erreicht eine innige Exposition gegenüber dem TWC unter Begünstigung der Oxidation von restlichem CO (zu CO2) und HCs (zu CO2 und H2O). Die Menge an Platin, Palladium und Rhodium, die zur Herstellung des TWC verwendet wird, kann allerdings viel niedriger sein als die, die in herkömmlichen TWCs gefunden wird. Der Grund ist, dass der stromaufwärts gelegene SCR-Konverter 310, wie es vorher beschrieben wurde, das bifunktionelle Katalysatormaterial beinhaltet und in der Lage ist, CO und HCs zusammen mit NO zu oxidieren. Demnach wird die Notwendigkeit, herkömmliche Mengen an Platin, Palladium und Rhodium in dem TWC einzuschließen, vermieden, da das Abgas-Nachbehandlungssystem 300 wirksam funktionieren kann, wenn der katalytische Konverter 316 nur das CO und die HCs oxidiert, die durch den SCR-Konverter 310 gehen. Hier hindert nichts daran, einen herkömmlich formulierten TWC in dem katalytischen Konverter 316 zu verwenden, wenn dies gewünscht wird, zum Beispiel um die Behandlung des Abgasstroms 304 zu unterstützen, wenn überschüssige Reduktionsmittel (CO, HCs, H2), aus welchem Grund auch immer, vorliegen.
  • Der behandelte Abgasstrom 306, der aus dem Abgas-Nachbehandlungssystem 300 ausströmt, enthält hauptsächlich N2, O2, H2O und CO2. Der SCR-Konverter 310 und der katalytische Konverter 316 tragen jeweils zu einer wesentlichen Reduktion oder der vollständigen Eliminierung von unerwünschten gasförmigen Emissionen (CO, HCs und NOx) bei. Das bifunktionelle Katalysatormaterial oxidiert NO zu NO2, CO zu CO2 und HCs zu CO2 und H2O, und reduziert auch NOx zu N2. Der TWC oxidiert restliches CO und restliche HCs, die durch den SCR-Konverter 310 gehen. Es wird nicht erwartet, dass die Niedrigtemperatur-NOx-Umwandlungseffizienz des bifunktionellen Katalysatormaterials in Abwesenheit eines stromaufwärts angeordneten Oxidationskatalysators – zum Beispiel ein Diesel-Oxidationskatalysator oder ein Zwei-Wege-Katalysator – leidet. Noch wird erwartet, dass die Oxidationsleistung des TWC durch die relativ geringen Mengen an Platin, Palladium und Rhodium, die verwendet werden, im Hinblick auf das NO-, CO- und HC-Oxidationsrelief, das vom TWC geboten wird, durch das bifunktionelle Katalysatormaterial nachteilig beeinflusst wird.
  • Es sollte einzusehen sein, dass das Abgas-Nachbehandlungssystem 300, das in 4 gezeigt ist, auf viele verschiedene Arten modifiziert werden kann. In einem alternativen Abgas-Nachbehandlungssystem 400, wie es in 5 gezeigt ist, kann zum Beispiel der katalytische Konverter 416 stromaufwärts zu dem SCR-Konverter 410 positioniert sein. Wenn der katalytische Konverter 416 in einer solchen Position angeordnet ist, kann die Menge an Platin, Palladium und Rhodium, die verwendet wird, um den TWC herzustellen, viel niedriger sein als die, die üblicherweise in herkömmlichen TWC-Katalysatoren gefunden wird, und zwar aus demselben Grund wie vorstehend erläutert. Das heißt, der stromabwärts gelegene SCR-Konverter 410 umfasst das bifunktionelle Katalysatormaterial und ist fähig, CO, HCs und NO zu NO2 mit einer Rate zu oxidieren, die ausreichend ist, um das NO:NO2-Molverhältnis auf einen gewünschteren Wert zu senken, während gleichzeitig NOx zu N2 reduziert wird. Als Resultat kann der katalytische Konverter 416 effektiv in dem Abgas-Nachbehandlungssystem 400 funktionieren, selbst wenn der TWC, den es beinhaltet, nur CO und HCs oxidiert. Der TWC, der in dem katalytischen Konverter 416 untergebracht ist, kann, in einer alternativen Ausführungsform, herkömmliche Mengen an PGMs enthalten, so dass Ammoniak passiv über dem TWC aus nativem NOx und H2, das in dem Abgasstrom 404 enthalten ist, während periodischer Ereignisse erzeugt werden kann, wenn der Benzin-Motor 402 ein reiches Gemisch aus Luft und Kraftstoff aufnimmt und verbrennt. Die Fähigkeit, Ammoniak passiv in solcher Weise zu erzeugen, wurde ermöglichen, den Reduktionsmittel-Injektor 412 und den Reduktionsmittel-Lagertank 414 aus dem Abgas-Nachbehandlungssystem 400 zu entfernen. Als weiteres Beispiel, Bezug nehmend auf 4 und 5, kann Ammoniak direkt in den Abgasstrom 304, 404 anstelle von Harnstoff eingespritzt werden. Oder in einem anderen Beispiel kann das Reduktionsmittel Benzin anstelle von Ammoniak oder Harnstoff sein. Das Benzin kann in den Abgasstrom 304, 404 eingeführt werden, indem etwas Benzin um den Benzin-Motor 302, 402 umgeleitet wird. Der Reduktionsmittel-Injektor 312, 412 und der Reduktionsmittel-Lagertank 314, 414 können in einem solchen Fall nicht benötigt werden, da Benzin bereits im Fahrzeug-Kraftstofftank gelagert wird, und damit für das Abgas-Nachbehandlungssystem 300, 400 leicht verfügbar wäre. Das bifunktionelle Katalysatormaterial kann Ag/Al2O3 oder einen CuCo/Y-Zeolith als den SCR-Katalysator umfassen, wenn Benzin als Reduktionsmittel entspricht.
  • Viele andere Modifikationen und Variationen der oben beschriebenen Abgas-Nachbehandlungssysteme 100, 200, 300, 400 sind auch möglich, was dem Fachwissen eines Fachmanns auf dem Gebiet der Magerverbrennungsmotor-Abgasbehandlung bekannt ist.
  • BEISPIEL
  • Dieses Beispiel demonstriert die duale katalytische Aktivität von mehreren beispielhaften bifunktionellen Katalysatormaterialien, die in einem Laborreaktor, der aufgebaut wurde, um einen simulierten Magerverbrennungsmotor-Abgas-Zuführungsstrom zu erzeugen, evaluiert wurden. Jedes der beispielhaften bifunktionellen Katalysatormaterialien, die evaluiert wurden, hatte eine unterschiedliche gewichtsprozentuale Beladung mit La0,9Sr0,1-CoO3-Partikeln, die durch Washcoating auf einen Fe/β-Zeolith-SCR-Katalysator aufgetragen worden waren, und was entweder entgrünt worden oder einer Hochtemperatur-Alterung unterzogen worden. Die gewichtsprozentuale Beladung mit den La0,9Sr0,1CoO3-Partikeln für jeden beispielhaften bifunktionellen Katalysator basiert auf dem Gewicht des bifunktionellen Katalysatormaterials (das heißt, dem Gesamtgewicht aus den La0,9Sr0,1CoO3-Partikeln und dem SCR-Katalysator). Während dieses Beispiel unterschiedliche Beladungen mit La0,9Sr0,1CoO3-Partikeln (Perowskitoxid-Partikeln) für einen Fe/β-Zeolith-SCR-Katalysator evaluiert, wird erwartet, dass dieselben allgemeinen Resultate und Daten erreicht würden, wenn die Perowskitoxid-Partikel mit Mangan enthaltenden Mischmetalloxid-Partikeln gemischt würden oder die Perowskitoxid-Partikel vollständig durch Mangan enthaltende Mischmetalloxid-Partikel ersetzt würden.
  • Zur Herstellung einer Menge von La0,9Sr0,1CoO3-Partikeln wurde ein Citronensäureverfahren eingesetzt. Zuerst wurden geeignete Mengen an La(NO3)3·6H2O, Co(NO3)2·6H2O und Sr(NO3)2 in destilliertem Wasser mit Citronensäure-Monohydrat gelöst. Die verwendete Wassermenge war 46,2 ml pro Gramm La(NO3)3·6H3O. Die Citronensäure wurde in einem 10 Gew.-%igen Überschuss zu dem destillierten Wasser gegeben, um eine vollständige Komplexierung der Metallionen sicherzustellen. Die Lösung wurde auf eine Rühr- und Heizplatte gestellt und für 1 Stunde bei Raumtemperatur gerührt. Die Lösung wurde dann unter kontinuierlichem Rühren auf 80°C erwärmt, um das Wasser langsam zu verdampfen, bis die Lösung ein viskoses Gel wurde und begann, NO/NO2-Gase zu entwickeln. Das resultierende schwammartige Material wurde zerkleinert und bei 700°C für etwa 5 Stunden in stehender Luft calciniert. Die Temperatur wurde dann mit einer Rate von 10°C pro Minute schrittweise gesenkt. Als die Temperatur gerade unterhalb von 300°C war, verbrannten die Citrationen kräftig und bewirkten einen starken plötzlichen Temperaturanstieg und eine Pulververlagerung. Das Pulver wurde mit mehreren Schichten aus ZrO2-Bällen bedeckt, um zu verhindern, dass eine solche Pulververlagerung für Gasmobilität sorgte. Die hergestellten La0,9Sr0,1CoO3-Partikel wurden durch N2-Physisorption für Messungen der spezifischen Oberfläche und Röntgendiffraktion für ihre Massenstrukturmessungen charakterisiert.
  • Die La0,9Sr0,1CoO3-Partikel wurden dann mit 6,33 ml Wasser pro Gramm der La0,9Sr0,1CoO3-Partikel für 18 Stunden kugelvermahlen. Danach wurde die Aufschlämmung kontinuierlich gerührt und 0,33 ml HNO3 (0,1 M) pro Gramm der La0,9Sr0,1CoO3-Partikel und 5 ml Wasser pro Gramm der La0,9Sr0,1CoO3-Partikel wurden zugesetzt. Die resultierende Washcoating-Lösung hatte eine Konzentration von 0,114 g La0,9Sr0,1CoO3-Partikel pro ml. Die Aufschlämmung wurde durch Washcoating auf eine monolithische Honigwabenkernprobe (3/4 Inch Durchmesser × 1 Inch Länge mit einer Durchflusszelldichte von 400 pro Quadrat-Inch), die bereits durch Washcoating mit Fe/β-Zeolith beschichtet war, aufgetragen. Nach dem Washcoating der La0,9Sr0,1CoO3-Partikel wurde die monolithische Honigwabenkernprobe getrocknet und für 5 Stunden in stehender Luft bei 550°C calciniert.
  • Dieses Verfahren wurde mehrmals wiederholt, um monolithische Honigwabenkernproben herzustellen, die eine La0,9Sr0,1CoO3-Partikelbeladung von entweder 1,0, 5,5 oder 12 Gew.-% hatten. Eine Kernprobe jeder La0,9Sr0,1CoO3-Partikelbeladung wurde entgrünt und die andere wurde bei hoher Temperatur gealtert. Die entgrünten bifunktionellen Katalysatormaterialien wurden hydrothermal in Luft + 10% H2O für 5 Stunden bei 550°C gealtert. Die bei hoher Temperatur gealterten bifunktionellen Katalysatormaterialien wurden in Luft plus 10% H2O für 48 Stunden bei 700°C hydrothermal gealtert.
  • Es wurden auch monolithische Kernproben hergestellt, die nur einen Fe/β-Zeolith-SCR-Katalysator, nur einen Cu/Chabazit-Zeolith-SCR-Katalysator und nur La0,9Sr0,1CoO3-Partikel umfassen, für vergleichende Evaluierungszwecke hergestellt. Die Fe/β-Zeolith-SCR-Katalysatoren und die Cu/Chabazit-Zeolith-SCR-Katalysatoren wurden ähnlich wie die bifunktionellen Katalysatormaterialien entweder entgrünt oder bei hoher Temperatur gealtert. Die La0,9Sr0,1CoO3-Partikel allein wurden etwas anders gealtert, wie es unten angegeben ist.
  • 6 zeigt die NOx-Umwandlungseffizienzien des bei hoher Temperatur gealterten Fe/β-Zeolith und der bei hoher Temperatur gealterten Cu/Chabazit-Zeolith-SCR-Katalysatoren bei Temperaturen im Bereich von 200°C bis 700°C. Die Temperatur (°C) ist auf der X-Achse aufgetragen und die NOx-Umwandlung (%) ist auf der Y-Achse aufgetragen. Die NOx-Umwandlung des bei hoher Temperatur gealterten Fe/β-Zeolith-SCR-Katalysators wird durch Bezugszeichen 40 identifiziert und die NOx-Umwandlung des bei hoher Temperatur gealterten Cu/Chabazit-Zeolith-SCR-Katalysators wird durch Bezugszeichen 42 identifiziert. Der simulierte Abgas-Zuführungsstrom, der über jeden der SCR-Katalysatoren geht, hatte eine Raumgeschwindigkeit von etwa 30 000 h–1 und umfasste etwa 10% O2, 5% H2O, 8% Co2, 200 ppm NO, 180 ppm NH3 und als Rest N2.
  • Wie aus 6 gesehen werden kann, zeigte der Cu/Chabazit-Zeolith-SCR-Katalysator eine bessere Niedrigtemperatur-NOx-Umwandlung und der Fe/β-Zeolith-SCR-Katalysator zeigte eine bessere Hochtemperatur-NOx-Umwandlung, wenn der NOx-Gehalt des Zuführungsstroms ganz aus NO bestand. Durch leichtes Verändern des NOx-Gehalts des Zuführungsstroms unter Einschluss von NO2 derart, dass das NO:NOx-Molverhältnis etwa 1,5 war (40% NO2, 60% NO), wurde die Niedrigtemperatur-NOx-Umwandlungsefffizienz des Fe/Zeolith-SCR-Katalysators deutlich verbessert. Die NOx-Umwandlung des bei hoher Temperatur gealterten Fe/β-Zeolith-SCR-Katalysators wird, wenn der Beschickungsstrom NOx mit einem Molverhältnis von NO zu NO2 von etwa 1,5 enthält, durch Bezugszeichen 44 identifiziert.
  • 7 zeigt die NOx-Umwandlungseffizienz für den entgrünten Fe/β-Zeolith-SCR-Katalysator, den bei hoher Temperatur gealterten Fe/β-Zeolith-SCR-Katalysator und den bei hoher Temperatur gealterten Cu/Chabazit-Zeolith-SCR-Katalysator bei Temperaturen im Bereich von 150°C bis 550°C. Die zwei Fe/β-Zeolith-SCR-Katalysatoren wurden unterschiedlich gealtert und in einem Ansatz zum Beweisen der Effekte der Katalysatoralterung grafisch aufgetragen. Die Temperatur (°C) ist auf der X-Achse aufgetragen und die NOx-Umwandlung (%) ist auf der Y-Achse aufgetragen. Die NOx-Umwandlung des entgrünten Fe/β-Zeolith-SCR-Katalysators wird durch Bezugszeichen 50 identifiziert, die NOx-Umwandlung des bei hoher Temperatur gealterten Fe/β-Zeolith-SCR-Katalysators wird durch Bezugszeichen 52 identifiziert, und die NOx-Umwandlung des bei hoher Temperatur gealterten Cu/Chabazit-Zeolith-SCR-Katalysators wird durch Bezugszeichen 54 identifiziert. Der simulierte Abgas-Zuführungsstrom, der über jeden der SCR-Katalysatoren geführt wurde, hatte eine Raumgeschwindigkeit von etwa 30 000 h–1 und umfasste etwa 10% O2, 5% H2O, 5% CO2, 200 ppm NO, 180 ppm NH3 und als Rest N2.
  • Wie in 7 gezeigt ist, waren die NOx-Umwandlungseffizienz des entgrünten Fe/β-Zeolith-SCR-Katalysators und die des bei hoher Temperatur gealterten Cu/Chabazit-Zeolith-SCR-Katalysators ziemlich vergleichbar, obgleich der entgrünte Fe/β-Zeolith-SCR-Katalysator bei hohen Temperaturen etwas bessere Leistung zeigte, während der bei hoher Temperatur gealterte Cu/Chabazit-Zeolith-SCR bei niedrigeren Temperaturen etwas bessere Leistung zeigte. Die NOx-Umwandlungseffizienz des bei hoher Temperatur gealterten Fe/β-Zeolith-SCR war deutlich niedrigere als die des entgrünten Fe/β-Zeolith-SCR, und zwar als Resultat der Alterung. Der Alterungseffekt war speziell bei Temperaturen unter etwa 300°C bemerkbar.
  • 8 zeigt die katalytische Aktivität der La0,9Sr0,1CoO3-Partikel allein für verschiedene Reaktionen bei Temperaturen im Bereich von 150°C bis 550°C. Die Temperatur (°C) ist auf der X-Achse aufgetragen und die Umwandlung (%) ist auf der Y-Achse aufgetragen. Die Umwandlung von NO (NOx + O2) wird durch Bezugszeichen 60 identifiziert, die Umwandlung von NH3 (NH3 + O2) wird durch Bezugszeichen 62 identifiziert, und die negative Umwandlung von NOx (NO + NH3 + O2) wird durch Bezugszeichen 64 identifiziert. Negative NOx-Umwandlung gibt an, wie viel des NH3 in NOx anstatt N2 umgewandelt wird. Die La0,9Sr0,1CoO3-Partikel wurden hydrothermal in Luft + 10% H2O für 5 Stunden bei 700°C gealtert.
  • Der simulierte Abgas-Zuführungsstrom, der über die La0,9Sr0,1CoO3-Partikel geführt wurde, um die NO-Umwandlung (60) zu bestimmen, hatte eine Raumgeschwindigkeit von etwa 30 000 h–1 und umfasste etwa 10% O2, 400 ppm NO und als Rest N2. Der simulierte Abgas-Zuführungsstrom, der über die La0,9Sr0,1CoO3-Partikel geführt wurde, um die NH3-Umwandlung (62) zu bestimmen, hatte eine Raumgeschwindigkeit von etwa 30 000 h–1 und umfasste etwa 10% O2, 5% H2O, 5% CO2, 200 ppm NH3 und als Rest N2. Der simulierte Abgas-Zuführungsstrom, der über die La0,9Sr0,1CoO3-Partikel geführt wurde, um die NO2-Umwandlung (64) zu bestimmen, hatte eine Raumgeschwindigkeit von etwa 30 000 h–1 und umfasste etwa 10% O2, 5% H2O, 5% CO2, 200 ppm NO, 200 ppm NH3 und als Rest N2.
  • Wie in 8 gezeigt ist, oxidierten die La0,9Sr0,1CoO3-Partikel NO und NH3 bei Temperaturen über etwa 225°C bzw. 350°C ziemlich gut. Die unerwünschte Oxidation von NH3 zu NOx erfolgte allerdings bei Temperaturen von etwa 250°C bis etwa 450°C. Bei Temperaturen über etwa 450°C war, wie es gezeigt ist, die Oxidation von NH3 zu N2 gegenüber der Oxidation von NOx zu N2 deutlich bevorzugt. Diese Oxidation resultierte selektiv in einer Verringerung der negativen NOx-Umwandlung.
  • 9–16 zeigen einige katalytische Leistungsdaten der beispielhaften bifunktionellen Katalysatormaterialien. Zu Vergleichszwecken sind in einigen Fällen auch die gleichen katalytischen Leistungsdaten für den Fe/β-Zeolith-SCR-Katalysator und die La0,9Sr0,1CoO3-Partikel gezeigt.
  • 9 und 10 zeigen die NO (zu NO2)-Oxidationsleistungsfähigkeit in Abwesenheit von NH3 für den Fe/β-Zeolith-SCR-Katalysator, die La0,9Sr0,1CoO3-Partikel allein und die bifunktionellen Katalysatormaterialien bei Temperaturen im Bereich von 150°C bis 550°C. Die Temperatur (°C) ist auf der X-Achse aufgetragen und die NO-zu-NO2-Umwandlung (%) ist auf der Y-Achse aufgetragen. Der Fe/β-Zeolith-SCR-Katalysator und die bifunktionellen Katalysatormaterialien, die in 9 dargestellt sind, waren entgrünt worden, während der Fe/β-Zeolith-SCR-Katalysator und die bifunktionellen Katalysatormaterialien, die in 10 dargestellt sind, bei hoher Temperatur gealtert worden waren. In beiden Figuren, 9 und 10, waren die La0,9Sr0,1CoO3-Partikel für 5 Stunden bei 700°C hydrothermal gealtert worden. Der simulierte Abgas-Zuführungsstrom, der über den Fe/β-Zeolith-SCR-Katalysator und die bifunktionellen Katalysatormaterialien geführt wurde, hatte eine Raumgeschwindigkeit von etwa 30 000 h–1 und umfasste etwa 10% O2, 5% H2O, 5% CO2, 200 ppm NO und als Rest N2. Der simulierte Abgas-Zuführungsstrom, der über die La0,9Sr0,1CoO3-Partikel geführt wurde, hatte eine Raumgeschwindigkeit von etwa 30 000 h–1 und umfasste 10% CO2, 400 ppm NO und als Rest N2.
  • Die NO-zu-NO2-Umwandlung des Fe/β-Zeolith-SCR-Katalysators wird durch Bezugszeichen 70 in 9 und Bezugszeichen 70' in 10 identifiziert, die NO-zu-NO2-Umwandlung der La0,9Sr0,1CoO3-Partikel allein wird durch Bezugszeichen 72 in 9 und Bezugszeichen 72' in 10 identifiziert, die NO-zu-NO2-Umwandlung des bifunktionellen Katalysatormaterials, das 1,0 Gew.-% La0,9Sr0,1CoO3-Partikel hat, ist in 9 durch Bezugszeichen 74 und in 10 durch Bezugszeichen 74' identifiziert, die NO-zu-NO2-Umwandlung des bifunktionellen Katalysatormaterials mit 5,5 Gew.-% La0,9Sr0,1CoO3-Partikeln ist durch Bezugszeichen 76 in 9 und Bezugszeichen 76' in 10 identifiziert, und die NO-zu-NO2-Umwandlung des bifunktionellen Katalysatormaterials mit 12,0 Gew.-% La0,9Sr0,1CoO3-Partikeln ist in 9 durch Bezugszeichen 78 und in 10 durch Bezugszeichen 78' identifiziert.
  • Wie in den beiden 9 und 10 gezeigt ist, oxidierte der Fe/β-Zeolith-SCR-Katalysator nur eine geringe Menge des NO in dem Abgas-Zuführungsstrom zu NO2, selbst wenn er leicht gealtert worden war (9). Die La0,9Sr0,1CoO3-Partikel oxidierten NO im Allgemeinen am besten zu NO2. Jedes der bifunktionellen Katalysatormaterialien zeigte eine bessere Leistung als der Fe/β-Zeolith-SCR-Katalysator alleine und in einigen Fällen eine ebenso gute wie die La0,9Sr0,1CoO3-Partikel. Die entgrünten mit 5,5 Gew.-% und 12 Gew.-% La0,9Sr0,1CoO3-Partikel beladenen bifunktionellen Katalysatormaterialien eiferten der NO-Oxidationsleistungsfähigkeit der La0,9Sr0,1CoO3-Partikel alleine stark nach (9). Darüber hinaus verbesserte die NO-zu-NO2-Oxidation der entgrünten (9) und bei hoher Temperatur gealterten (10) bifunktionellen Katalysatormaterialien sich im Allgemeinen, wenn die Beladung mit La0,9Sr0,1CoO3-Partikeln anstieg. Die entgrünten bifunktionellen Katalysatormaterialien oxidierten im Allgemeinen NO zu NO2 besser als die bei hoher Temperatur gealterten bifunktionellen Katalysatormaterialien.
  • 11 und 12 zeigen die NH3-Oxidationsleistungsfähigkeit, in Abwesenheit von NO, des Fe/β-Zeolith-SCR-Katalysators, der La0,9Sr0,1CoO3-Partikel alleine und der bifunktionellen Katalysatormaterialien bei Temperaturen im Bereich von 150°C bis 550°C. Die Temperatur (°C) ist auf der X-Achse aufgetragen und die NH3-Umwandlung (%) ist auf der Y-Achse aufgetragen. Der Fe/β-Zeolith-SCR-Katalysator und die bifunktionellen Katalysatormaterialien, die in 11 dargestellt sind, wurden entgrünt, während der Fe/β-Zeolith-SCR-Katalysator und die bifunktionellen Katalysatormaterialien, die in 12 dargestellt sind, bei hoher Temperatur gealtert wurden. Die La0,9Sr0,1CoO3-Partikel in beiden Figuren, 11 und 12, wurden für 5 Stunden bei 700°C hydrothermal gealtert. Der simulierte Abgas-Zuführungsstrom, der über den Fe/β-Zeolith-SCR-Katalysator und die bifunktionellen Katalysatoren ging, hatte eine Raumgeschwindigkeit von etwa 30 000 h–1 und umfasste etwa 10% O2, 5% H2O, 5% CO2, 200 ppm NH3 und als Rest N2. Der simulierte Abgas-Zuführungsstrom, der über die La0,9Sr0,1CoO3-Partikel ging, hatte eine Raumgeschwindigkeit von etwa 30 000 h–1 und umfasste 10% O2, 400 ppm NH3 und als Rest N2.
  • Die NH3-Umwandlung des Fe/β-Zeolith-SCR-Katalysators wird in 11 durch Bezugszeichen 80 und in 12 durch Bezugszeichen 80' identifiziert, die NH3-Umwandlung der La0,9Sr0,1CoO3-Partikel allein wird durch Bezugszeichen 82 in 11 und Bezugszeichen 82' in 12 identifiziert, die NH3-Umwandlung des bifunktionellen Katalysatormaterials, das 1,0 Gew.-% La0,9Sr0,1CoO3-Partikel hat, wird in 11 durch Bezugszeichen 84 und in 12 durch Bezugszeichen 84' identifiziert, die NH3-Umwandlung des bifunktionellen Katalysatormaterials, das 5,5 Gew.-% La0,9Sr0,1-CoO3-Partikel hat, wird durch Bezugszeichen 86 in 11 und Bezugszeichen 86' in 12 identifiziert und die NH3-Umwandlung des bifunktionellen Katalysatormaterials, das 12,0 Gew.-% La0,9Sr0,1CoO3-Partikel hat, wird durch Bezugszeichen 88 in 11 und Bezugszeichen 88' in 12 identifiziert.
  • Wie in den 11 und 12 gezeigt ist, oxidierten die entgrünten bifunktionellen Katalysatormaterialien, die 5,5 Gew.-% und 12 Gew.-% La0,9Sr0,1CoO3-Partikelbeladung hatten (11, NH3 effektiver als die La0,9Sr0,1CoO3-Partikel allein, während die bei hoher Temperatur gealterten bifunktionellen Katalysatormaterialien bei den gleichen Beladungen mit La0,9Sr0,1CoO3-Partikeln (12) NH3 ziemlich vergleichbar mit den La0,9Sr0,1CoO3-Partikeln allein oxidierten. Die bifunktionellen Katalysatormaterialien, die 1,0 Gew.-% La0,9Sr0,1CoO3-Partikelbeladung hatten – sowohl entgrünte als auch bei hoher Temperatur gealterte – und der Fe/β-Zeolith-SCR-Katalysator oxidierten NH3 zu einem geringeren Ausmaß.
  • 13 und 14 beziehen sich auf 11 bzw. 12 und zeigen wie viel des oxidierten NH3 NOx bildete. Die Temperatur (°C) ist auf der X-Achse aufgetragen und die NOx-Selektivität (%) – das heißt, die Umwandlung von NH3 zu NOx – ist auf der Y-Achse aufgetragen. Der Fe/β-Zeolith-SCR-Katalysator und die bifunktionellen Katalysatormaterialien, die in 13 dargestellt sind, waren entgrünt, während der Fe/β-Zeolith-SCR-Katalysator und die bifunktionellen Katalysatormaterialien, die in 14 dargestellt sind, bei hoher Temperatur gealtert worden waren. Die La0,9Sr0,1CoO3-Partikel waren sowohl in 13 wie auch 14 für 5 Stunden bei 700°C gealtert worden.
  • Die NOx-Selektivität des Fe/β-Zeolith-SCR-Katalysators wird in 13 durch Bezugszeichen 90 und in 14 durch Bezugszeichen 90' identifiziert, die NOx-Selektivität der La0,9Sr0,1CoO3-Partikel allein wird durch Bezugszeichen 92 in 13 und Bezugszeichen 92' in 14 identifiziert, die NOx-Selektivität des bifunktionellen Katalysatormaterials, das 1,0 Gew.-% La0,9Sr0,1CoO3-Partikel hat, wird durch Bezugszeichen 94 in 13 und Bezugszeichen 94' in 14 identifiziert, die NOx-Selektivität des bifunktionellen Katalysatormaterials, das 5,5 Gew.-% La0,9Sr0,1CoO3-Partikel hat, wird durch Bezugszeichen 96 in 13 und Bezugszeichen 96' in 14 identifiziert und die NOx-Selektrivität des bifunktionellen Katalysatormaterials, das 12,0 Gew.-% La0,9Sr0,1CoO3-Partikel hat, wird durch Bezugszeichen 98 in 13 und durch Bezugszeichen 98' in 14 identifiziert.
  • Wie gezeigt wird, oxidierten die La0,9Sr0,1CoO3-Partikel allein ziemlich leicht NH3 zu NOx bei Temperaturen oberhalb etwa 300°C, während der Fe/β-Zeolith-SCR-Katalysator – sowohl entgrünt als auch bei hoher Temperatur gealtert – im Wesentlichen kein NOx-produzierte. Die entgrünten und die bei hoher Temperatur gealterten bifunktionellen Katalysatormaterialien, die 1,0 Gew.-% La0,9Sr0,1CoO3-Partikel-Beladung hatten, erzeugten auch sehr wenig NOx, wenn überhaupt. Die entgrünten und bei hohen Temperatur gealterten bifunktionellen Katalysatormaterialien mit Beladungen von 5,5 Gew.-% und 12 Gew.-% La0,9Sr0,1CoO3-Partikel zeigten allerdings eine Erhöhung bei der NOx-Selektivität, sobald die Temperaturen auf etwa 400°C sanken. Diese Erhöhung bei der NOx-Selektivität war für die bei hoher Temperatur gealterten bifunktionellen Katalysatormaterialien mit einer Beladung von 5,5 Gew.-% und 12 Gew.-% La0,9Sr0,1CoO3-Partikel weniger ausgeprägt als für die entsprechenden entgrünten bifunktionellen Katalysatormaterialien.
  • 15 und 16 stehen in Beziehung zu den 11 bis 14 und zeigen, wie viel des oxidierten NH3 N2 bildete. Die Temperatur (°C) ist auf der X-Achse aufgetragen und die N2-Selektivität (%) – das heißt, die Umwandlung von NH3 in N2 – ist auf der Y-Achse aufgetragen. Der Fe/β-Zeolith-SCR-Katalysator und die bifunktionellen Katalysatormaterialien, die in 15 dargestellt sind, wurden entgrünt, während der Fe/β-Zeolith-SCR-Katalysator und die in 16 dargestellten bifunktionellen Katalysatormaterialien bei hoher Temperatur gealtert wurden.
  • Die NOx-Selektivität des Fe/β-Zeolith-SCR-Katalysators wird in 15 durch Bezugszeichen 130 und in 16 durch Bezugszeichen 130' identifiziert, die N2-Selektivität des bifunktionellen Katalysatormaterials, das 1,0 Gew.-% La0,9Sr0,1CoO3-Partikel hat, wird in 15 durch Bezugszeichen 134 und in 16 durch Bezugszeichen 134' identifiziert, die N2-Selektivität des bifunktionellen Katalysatormaterials, das 5,5 Gew.-% La0,9Sr0,1CoO3-Partikel hat, wird in 15 durch Bezugszeichen 136 und in 16 durch Bezugszeichen 136' identifiziert und die N2-Selektivität des bifunktionellen Katalysatormaterials, das 12,0 Gew.-% La0,9Sr0,1CoO3-Partikel hat, wird in 15 durch Bezugszeichen 138 und in 16 durch Bezugszeichen 138' identifiziert.
  • Wie gezeigt wird, zeigte das bifunktionelle Katalysatormaterial, das mit 1 Gew.-% La0,9Sr0,1CoO3-Partikeln beladen war, die beste N2-Selektivität, sobald ein Katalysator-”light-off” auftrat (etwa 250°C), und zwar ungeachtet der Alterung. Die N2-Selektivität jedes bei hoher Temperatur gealterten bifunktionellen Katalysatormaterials war im Temperaturbereich von etwa 300°C bis etwa 450°C, wie in 16 gezeigt, etwa die gleiche.
  • 17 und 18 zeigen die NOx-Umwandlugsleistungsfähigkeit des Fe/β-Zeolith-SCR-Katalysators und der drei bifunktionellen Katalysatormaterialien bei Temperaturen im Bereich von 150°C bis 550°C. Die Temperatur (°C) ist auf der X-Achse aufgetragen und die NOx-Umwandlung (%) ist auf der Y-Achse aufgetragen. Der Fe/β-Zeolith-SCR-Katalysator und die bifunktionellen Katalysatormaterialien, die in 17 dargestellt sind, wurden entgrünt, während der Fe/β-Zeolith-SCR-Katalysator und die bifunktionellen Katalysatormaterialien, die in 18 dargestellt sind, bei hoher Temperatur gealtert wurden. Der simulierte Abgas-Zuführungsstrom, der über den Fe/β-Zeolith-SCR-Katalysator und die drei bifunktionellen Katalysatormaterialien geführt wurde, hatte eine Raumgeschwindigkeit von etwa 30 000 h–1 und umfasste etwa 10% O2, 5% H2O, 5% CO2, 200 ppm NO, 200 ppm NH3 und als Rest N2.
  • Die NOx-Umwandlung des Fe/β-Zeolith-SCR-Katalysators wird in 17 durch Bezugszeichen 160 und in 18 durch Bezugszeichen 160' identifiziert; die NOx-Umwandlung des bifunktionellen Katalysatormaterials, das 1,0 Gew.-% La0,9Sr0,1CoO3-Partikel hat, wird durch Bezugszeichen 164 in 17 und durch Bezugszeichen 164 in 18 identifiziert. Die NOx-Umwandlung des bifunktionellen Katalysatormaterials, das 5,5 Gew.-% La0,9Sr0,1CaO3-Partikel hat, wird in 17 durch Bezugszeichen 166 und in 18 durch Bezugszeichen 166' identifiziert, und die NOx-Umwandlung des bifunktionellen Katalysatormaterials, das 12,0 Gew.-% La0,9Sr0,1CoO3-Partikel hat, wird in 17 durch Bezugszeichen 168 und in 18 durch Bezugszeichen 168' identifiziert.
  • Wie in 17 gezeigt ist, wandelten alle drei der entgrünten bifunktionellen Katalysatormaterialien in ziemlich ähnlicher Weise bei Temperaturen bis zu etwa 250°C NOx zu NO2 um. Allerdings begann die NOx-Umwandlungseffizienz der drei entgrünten bifunktionellen Katalysatormaterialien sich zu unterscheiden, sobald die Katalysatortemperatur etwa 300°C erreichte. Bei dieser Temperatur begann die NOx-Umwandlungseffizienz der bifunktionellen Katalysatormaterialien, die mit 5,5 Gew.-% und 12 Gew.-% La0,9Sr0,1CoO3-Partikeln beladen waren, rasch abzunehmen, während die des mit 1 Gew.-% La0,9Sr0,1CoO3-Partikeln beladenen bifunktionellen. Katalysatormaterials hoch blieb. Wie in 18 gezeigt wird, wurden die Unterschiede in der NOx-Umwandlungseffizienz der drei bei hoher Temperatur gealterten bifunktionellen Katalysatormaterialien weniger divergent. Die NOx-Umwandlungseffizienz-Daten legen allerdings nahe, dass niedrigere Beladungen mit La0,9Sr0,1CoO3-Partikeln im Allgemeinen NOx effizienter bei höheren Temperaturen (oberhalb etwa 350°C) umwandeln, während höhere Beladungen mit La0,9Sr0,1CoO3-Partikeln im Allgemeinen NOx effizienter bei niedrigeren Temperaturen (unter etwa 350°C) umwandeln.
  • Die obige Beschreibung von Ausführungsformen ist lediglich beispielhafter Natur und somit werden Variationen davon nicht als Abweichung vom Geist und Rahmen der Erfindung angesehen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 7093429 [0038]
    • US 6957528 [0038]

Claims (10)

  1. Bifunktionelles Katalysatormaterial, umfassend: einen Katalysator der selektiven katalytischen Reduktion, der die Reduktion von NOx zu N2 erleichtert, wenn er einem Abgasgemisch ausgesetzt wird, das ein Reduktionsmittel und einen Abgasstrom, der von einem Magerverbrennungsmotor produziert wird, welcher ein mageres Gemisch aus Luft und Kraftstoff verbrennt, umfasst, und Metalloxidpartikel, die aus der Gruppe, bestehend aus Perowskitoxid-Partikeln und Mangan enthaltenden Mischmetalloxid-Partikeln, ausgewählt sind, fein verteilt auf dem Katalysator der selektiven katalytischen Reduktion, wobei die Metalloxidpartikel in einer Menge vorliegen, die im Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des bifunktionellen Katalysatormaterials, liegt.
  2. Bifunktionelles Katalysatormaterial, wie es in Anspruch 1 beschrieben ist, wobei die Perowskitoxid-Partikel wenigstens eines von LaCoO3, La0,9Sr0,1CoO3, LaMnO3, La0,9Sr0,1MnO3, LaFeO3 oder LaSr0,1Fe0,9O3 umfassen und wobei die Mangan enthaltenden Mischmetalloxid-Partikel wenigstens eines von MnXCeYOZ, MnXZrWOZ oder MnXCeYZrWOZ umfassen, worin X im Bereich von 0,02 bis 0,98 hegt, Y im Bereich von 0,02 bis 0,98 liegt, W im Bereich von 0,02 bis 0,98 liegt und Z im Bereich von 1,0 bis 3,0 liegt.
  3. Bifunktionelles Katalysatormaterial, wie es in Anspruch 1 beschrieben ist, wobei der Katalysator für die selektive katalytische Reduktion wenigstens eines aus einem Ionen-ausgetauschten Basis-Metallzeolith, Silber-getragenem Aluminiumoxid oder einem Basis-Metalloxid umfasst und wobei der Katalysator der selektiven katalytischen Reduktion wenigstens einen von einem β-Zeolith, der mit wenigstens einem von Cu und Fe Ionen-ausgetauscht ist, einem MFI-Typ-Zeolith, der mit wenigstens einem von Cu oder Fe Innenausgetauscht ist, einem Y-Zeolith der mit wenigstens einem von Na, Ba, Cu, Co oder CuCo Ionen-ausgetauscht ist, und einem Basismetalloxid, das wenigstens eines von V2O5-WO3/TiO2 oder V2O5/TiO2 umfasst.
  4. Abgas-Nachbehandlungssystem zur Entfernung von gasförmigen Emissionen und suspendiertem partikulärem Material, wenn vorhanden, die im Abgas enthalten ist, das von einem Magerverbrennungsmotor, der ein mageres Gemisch aus Luft und Kraftstoff verbrennt, produziert wird, wobei das Abgas-Nachbehandlungssystem umfasst: einen SCR-Konverter, der ein Abgasgemisch aufnimmt, wobei das Abgasgemisch ein Reduktionsmittel gemischt mit einem Abgasstrom aus einem Magerverbrennungsmotor umfasst, wobei das Abgasgemisch NOx umfasst, das NO und NO2 in einem Molverhältnis umfasst, welches im Bereich von etwa 4 bis etwa 19 liegt, und das im Wesentlichen dasselbe wie das Molverhältnis von NO zu NO2 ist, das durch die Verbrennung des mageren Gemisches aus Luft und Kraftstoff in dem Magerverbrennungsmotor produziert wird, wobei der SCR-Konverter ein bifunktionelles Katalysatormaterial umfasst, das (1) einen Katalysator der selektiven katalytischen Reduktion umfasst, der die Reduktion von NOx zu N2 erleichtert, wenn er dem Abgasgemisch ausgesetzt wird, und (2) Metalloxidpartikel, die aus der Gruppe, bestehend aus Perowskitoxid-Partikeln und Mangan enthaltenden Mischmetalloxid-Partikeln, ausgewählt sind, fein verteilt auf dem Katalysator der selektiven katalytischen Reduktion, in einer Menge, die im Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des bifunktionellen Katalysatormaterials, liegt, umfasst.
  5. Abgas-Nachbehandlungssystem, wie es in Anspruch 4 beschrieben ist, wobei die Perowskitoxid-Partikel wenigstens eines von LaCoO3, La0,9Sr0,1CoO3, LaMnO3, La0,9Sr0,1MnO3, LaFeO3 oder LaSr0,1Fe0,9O3 umfassen und wobei die Mangan enthaltenden Mischmetalloxid-Partikel wenigstens eines von MnXCeYOZ, MnXZrWOZ oder MnXCeYZrwOZ umfassen, worin X im Bereich von 0,02 bis 0,98 liegt, Y im Bereich von 0,02 bis 0,98 liegt, W im Bereich von 0,02 bis 0,98 liegt und Z im Bereich von 1,0 bis 3,0 liegt.
  6. Abgas-Nachbehandlungssystem, wie es in Anspruch 4 beschrieben ist, das außerdem einen Diesel-Oxidationskonverter umfasst, der stromaufwärts zu dem SCR-Konverter angeordnet ist, wobei der Diesel-Oxidationskonverter einen Diesel-Oxidationskatalysator umfasst, welcher kein Platin umfasst oder Platin in einer solch geringen Menge umfasst, dass der Diesel-Oxidationskatalysator das Molverhältnis NO zu NO2 in dem Abgasgemisch im Vergleich zu dem Molverhältnis NO zu NO2, das durch die Verbrennung des mageren Gemisches aus Luft und Kraftstoff in dem Magerverbrennungsmotor erzeugt wird, nicht wesentlich verringert.
  7. Abgas-Nachbehandlungssystem, wie es in Anspruch 4 beschrieben ist, das außerdem einen Reduktionsmittel-Lagertank, der das Reduktionsmittel lagert, und einen Reduktionsmittel-Injektor in Fluidkommunikation mit dem Reduktionsmittel-Lagertank, der funktionsfähig ist, um das Reduktionsmittel in den Abgasstrom einzuspritzen, um das Abgasgemisch zu bilden, umfasst.
  8. Verfahren zur Entfernung gasförmiger Emissionen und suspendierten partikulären Materials, wenn vorhanden, die in Abgas enthalten sind, das durch einen Magerverbrennungsmotor produziert wird, der ein mageres Gemisch aus Luft und Kraftstoff verbrennt, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Magerverbrennungsmotors; Bereitstellen eines Abgas-Nachbehandlungssystems für den Magerverbrennungsmotor, das ein bifunktionelles Katalysatormaterial umfasst, wobei das bifunktionelle Katalysatormaterial (1) einen Katalysator der selektiven katalytischen Reduktion und (2) Metalloxidpartikel, die aus der Gruppe, bestehend aus Perowskitoxid-Partikeln und Mangan enthaltenden Mischmetalloxid-Partikeln, ausgewählt sind, fein verteilt auf dem Katalysator der selektiven katalytischen Reduktion, in einer Menge, die im Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des bifunktionellen Katalysatormaterials, liegt, umfasst; Verbrennen eines mageren Gemisches aus Luft und Kraftstoff in dem Magerverbrennungsmotor unter Herstellung eines Abgasstroms, der NOx umfasst, das ein Molverhältnis von NO zu NO2 hat, das im Bereich von etwa 4 bis etwa 19 liegt; Einführen eines Reduktionsmittels in den Abgasstrom, um ein Abgasgemisch zu bilden, das ein Molverhältnis von NO zu NO2 hat, das im Wesentlichen dasselbe wie das Molverhältnis von NO zu NO2 in dem Abgasstrom ist, und Aussetzen des Abgasgemisches dem bifunktionellen Katalysatormaterial, um NOx zu NO2 zu reduzieren und einen NOx-behandelten Abgasstrom zu produzieren.
  9. Verfahren, wie es in Anspruch 8 beschrieben ist, wobei das Abgas-Nachbehandlungssystems außerdem einen Diesel-Oxidationskatalysator umfasst, der stromabwärts zu dem bifunktionellen Katalysatormaterial angeordnet ist, wobei der Diesel-Oxidationskatalysator kein Platin umfasst oder Platin in einer solch geringen Menge umfasst, dass der Diesel-Oxidationskatalysator das Molverhältnis NO zu NO2 in dem Abgasgemisch im Vergleich zu dem Molverhältnis NO zu NO2, das durch die Verbrennung des mageren Gemisches aus Luft und Kraftstoff in dem Magerverbrennungsmotor erzeugt wird, nicht wesentlich verringert.
  10. Verfahren, wie es in Anspruch 8 beschrieben ist, wobei das Abgas-Nachbehandlungssystem außerdem einen Diesel-Oxidationskatalysator umfasst, der stromabwärts zu dem bifunktionellen Katalysatormaterial angeordnet ist, wobei der Dieseloxidationskatalysator kein Platin umfasst, und außerdem die Zuführung des NOx-behandelten Abgasstroms zu dem Dieseloxidationskatalysator umfasst.
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Families Citing this family (31)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2783741B1 (de) * 2011-01-26 2021-03-31 Ford Global Technologies, LLC SCR und LNT Katalysatoren für kombinierte LNT-SCR Anwendungen
CN102806012B (zh) 2011-06-03 2016-11-23 通用汽车环球科技运作有限责任公司 用于将no氧化成no2的非化学计量的钙钛矿氧化物氧化催化剂
US20130047583A1 (en) * 2011-08-31 2013-02-28 Caterpillar Inc. Aftertreatment system
CN104379890A (zh) * 2012-03-28 2015-02-25 迪尔伯恩金融公司 柴油排放控制后处理系统和相关方法
DE102014201072A1 (de) * 2013-02-01 2014-08-07 Ford Global Technologies, Llc Bestimmen eines Alterungsgrades eines Oxidationskatalysators
US9216410B2 (en) * 2013-06-06 2015-12-22 Clean Diesel Technologies, Inc. Systems and methods for using Pd1+ in a TWC
JP6153196B2 (ja) * 2013-06-14 2017-06-28 ユニゼオ株式会社 Ｍｎ＋置換ベータ型ゼオライト、それを含むガス吸着剤及びその製造方法、並びに一酸化窒素の除去方法
CN104415749A (zh) * 2013-08-22 2015-03-18 上海郎特汽车净化器有限公司 一种用于处理柴油机尾气nox的scr催化剂及其制备方法
CN103406124B (zh) * 2013-09-09 2015-06-03 天津大学 稀燃发动机用三元复合氧化物型选择性催化还原催化剂
US11623181B2 (en) * 2014-01-17 2023-04-11 Mitsubishi Power Americas, Inc. Method and apparatus for operating a gas turbine power plant at low load conditions with stack compliant emissions levels
CN103801288B (zh) * 2014-02-25 2015-10-28 华中科技大学 用于一氧化氮氧化的复合氧化物催化剂及其制备方法
CN106163659B (zh) * 2014-04-07 2019-05-10 托普索公司 在低温下通过固态离子交换来生产金属交换的沸石的方法
DE102015212356A1 (de) 2014-07-02 2016-03-03 Johnson Matthey Public Limited Company Perowskit mit einer Deckschicht-SCR-Komponente als Ammoniakoxidationskatalysator und System zur Abgasreinigung bei Dieselmotoren
AT516467A1 (de) * 2014-11-10 2016-05-15 Ge Jenbacher Gmbh & Co Og Katalysatoreinrichtung für eine stationäre Brennkraftmaschine
CN107002526B (zh) * 2014-11-10 2019-07-16 康明斯排放处理公司 包括烃检测发生介质的排气流体过滤器和检测烃的方法
US10201807B2 (en) * 2015-06-18 2019-02-12 Johnson Matthey Public Limited Company Ammonia slip catalyst designed to be first in an SCR system
US10046310B2 (en) 2015-10-05 2018-08-14 GM Global Technology Operations LLC Catalytic converters with age-suppressing catalysts
US10422036B2 (en) 2015-10-23 2019-09-24 GM Global Technology Operations LLC Suppressing aging of platinum group metal particles in a catalytic converter
US10005031B2 (en) 2015-12-08 2018-06-26 GM Global Technology Operations LLC Dual-layer catalyst
US9962654B2 (en) * 2016-02-16 2018-05-08 GM Global Technology Operations LLC Perovskite based oxygen storage materials
CN106000455B (zh) * 2016-05-23 2019-05-14 天津包钢稀土研究院有限责任公司 一种环境友好的scr催化剂及其制备方法
US10159960B2 (en) 2016-10-25 2018-12-25 GM Global Technology Operations LLC Catalysts with atomically dispersed platinum group metal complexes
KR102434321B1 (ko) * 2016-11-14 2022-08-18 리써치 트라이앵글 인스티튜트 페로브스카이트 촉매 및 이의 용도
CN107376893B (zh) * 2017-08-23 2019-11-08 天津市职业大学 一种处理含no废气的复合催化剂及其制备方法
CN110523408B (zh) * 2019-08-28 2022-05-13 深圳华明环保科技有限公司 一种低温脱硝催化剂及其制备方法
CA3132392C (en) * 2019-09-04 2024-03-12 Grirem Hi-Tech Co., Ltd. Rare-earth-manganese/cerium-zirconium-based composite compound, method for preparing same and use thereof
GB2593762A (en) * 2020-04-02 2021-10-06 Jaguar Land Rover Ltd Lean-burn gasoline engine aftertreatment system
CN112661192B (zh) * 2020-12-26 2022-05-13 内蒙古大学 锰酸镧/四氧化三钴的合成及全光谱下对甲苯的净化处理
CN113694920B (zh) * 2021-09-30 2023-09-29 中国石油化工股份有限公司 一种堇青石基scr催化剂及制备方法和应用
CN115814846B (zh) * 2022-11-10 2023-11-28 广东联南环保科技有限公司 一种铁钴分子筛hc-scr催化器的制备方法
CN115814845B (zh) * 2022-11-10 2023-11-28 广东联南环保科技有限公司 一种铜锡分子筛hc-scr催化器的制备方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6957528B1 (en) 2004-06-09 2005-10-25 General Motors Corporation No reduction with diesel fuel reformed by nonthermal hyperplasma
US7093429B1 (en) 2005-06-01 2006-08-22 Gm Global Technology Operations Inc. Reforming diesel fuel for NOx reduction

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3855942D1 (de) 1987-05-12 1997-07-17 Siemens Ag Katalytische Beseitigung von Ammoniak aus Abgasen.
US5419123A (en) * 1993-03-29 1995-05-30 Unlimited Technologies, Inc. Emission control device and method
EP0658368A1 (de) * 1993-12-17 1995-06-21 N.E. Chemcat Corporation NOx-Entfernungskatalysator und Abgasreinigung unter dessen Verwendung
KR0136893B1 (ko) * 1994-11-03 1998-04-25 강박광 선택적 촉매환원에 의한 배기가스중의 질소산화물의 제거방법
FR2738756B1 (fr) * 1995-09-20 1998-12-11 Rhone Poulenc Chimie Procede de traitement de gaz, a teneur elevee en oxygene en vue de la reduction des emissions des oxydes d'azote, utilisant une composition catalytique comprenant de l'oxyde de manganese et de l'oxyde de cerium et/ou de zirconium
FR2771306B1 (fr) * 1997-11-25 2000-02-04 Rhodia Chimie Sa Composition a base de manganese et utilisation comme piege a nox pour le traitement de gaz d'echappement
US6103207A (en) * 1999-04-26 2000-08-15 Ford Global Technologies, Inc. Treating diesel exhaust with a catalytic particulate mixture
GB0020287D0 (en) * 2000-08-17 2000-10-04 Aea Technology Plc The catalytic treatment of gases
US6919047B1 (en) * 2000-10-10 2005-07-19 Corning Incorporated Reduction of nitrogen oxides in diesel exhaust gases and fuel injection system
JP4852793B2 (ja) * 2001-04-10 2012-01-11 トヨタ自動車株式会社 内燃機関の排気ガス浄化装置及び排気ガス浄化用触媒
JP2004033990A (ja) * 2002-07-08 2004-02-05 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 排ガス処理触媒およびその製造方法
GB0220645D0 (en) * 2002-09-05 2002-10-16 Johnson Matthey Plc Exhaust system for a lean burn ic engine
CN100349654C (zh) * 2004-09-03 2007-11-21 石油大学(北京) 降低柴油机尾气中碳颗粒燃烧温度的方法
KR20090114480A (ko) 2007-02-27 2009-11-03 바스프 카탈리스트 엘엘씨 선택적 암모니아 산화를 위한 이원기능 촉매
US8148295B2 (en) * 2009-02-16 2012-04-03 Millennium Inorganic Chemicals, Inc. Catalyst promoters in vanadium-free mobile catalyst
US9453443B2 (en) * 2009-03-20 2016-09-27 Basf Corporation Emissions treatment system with lean NOx trap
US20120042631A1 (en) 2010-08-20 2012-02-23 Gm Global Technology Operations, Inc. Catalyst materials for ammonia oxidation in lean-burn engine exhaust

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6957528B1 (en) 2004-06-09 2005-10-25 General Motors Corporation No reduction with diesel fuel reformed by nonthermal hyperplasma
US7093429B1 (en) 2005-06-01 2006-08-22 Gm Global Technology Operations Inc. Reforming diesel fuel for NOx reduction

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US8466083B2 (en) 2013-06-18
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