DE102016219132A1

DE102016219132A1 - Niedertemperatur-Oxidationskatalysatoren

Info

Publication number: DE102016219132A1
Application number: DE102016219132.2A
Authority: DE
Inventors: Gongshin Qi; Se H. Oh; Wei Li
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2015-10-05
Filing date: 2016-10-03
Publication date: 2017-04-06
Also published as: CN106560240B; US9855547B2; CN106560240A; US20170095796A1

Abstract

Ein Beispiel eines Katalysators beinhaltet ein Katalysatorelement zur Verbesserung der Niedrigtemperaturoxidation von Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffen. Das Katalysatorelement beinhaltet einen Träger, der eine poröse Aluminiumoxidstruktur und einen Seltenerdmetalloxidpromotor beinhaltet, der in Poren der porösen Aluminiumoxidstruktur imprägniert ist. Der Seltenerdmetalloxidpromotor ist aus der Gruppe bestehend aus CeO2 und CeO2-ZrO2 ausgewählt. Ein Platingruppenmetall (PGM) ist mit dem Träger verbunden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf Oxidationskatalysatorelemente und genauer ausgedrückt auf die Verbesserung der katalytischen Aktivität bei niedrigen Temperaturen, wie z.°B. während einem anfänglichen Kaltstart.
HINTERGRUND
Fahrzeuge mit einem Verbrennungsmotor (ICE) beinhalten ein Abgasbehandlungssystem zur Behandlung der Abgase des Motors. Die Konfiguration des Behandlungssystems hängt teilweise davon ab, ob der Motor ein Dieselmotor ist (der typischerweise mit magerer Verbrennung arbeitet und hohe Konzentrationen von Sauerstoff in den Abgasen bei allen Betriebsbedingungen enthält), oder ob er ein stöchiometrischer Fremdzündungsmotor ist (der mit einem nahezu stöchiometrischen Luft-Kraftstoff(A/F)-Verhältnis arbeitet). Das Behandlungssystem für den Dieselmotor beinhaltet einen Dieseloxidationskatalysator (DOC), der zur Oxidation von Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoff (HC) in der Lage ist. Das Abgasbehandlungssystem für den stöchiometrischen Fremdzündungsmotor beinhaltet einen Dreiwegekatalysator (TWC), der nach dem Prinzip der nichtselektiven katalytischen Reduktion von NO_x durch CO und HC arbeitet.
KURZDARSTELLUNG
Ein Beispiel eines Katalysators beinhaltet ein Katalysatorelement zur Verbesserung der Niedrigtemperaturoxidation von Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffen. Das Katalysatorelement beinhaltet einen Träger, der eine poröse Aluminiumoxidstruktur und einen Seltenerdmetalloxidpromotor beinhaltet, der in Poren der porösen Aluminiumoxidstruktur imprägniert ist. Der Seltenerdmetalloxidpromotor ist aus der Gruppe bestehend aus CeO₂ und CeO₂-ZrO₂ ausgewählt. Ein Platingruppenmetall (PGM) ist mit dem Träger verbunden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Merkmale von Beispielen der vorliegenden Offenbarung werden durch Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung und die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen ähnlichen, obwohl vielleicht nicht identischen, Komponenten entsprechen, hervorgehen. Der Kürze halber können Bezugszeichen oder Merkmale mit einer zuvor beschriebenen Funktion in Verbindung mit anderen Zeichnungen, in denen sie erscheinen, beschrieben sein oder auch nicht.
1 auf Koordinaten von kumulativen Schadstoffemissionen (in g/ Meile) und Zeit (in Sekunden) ist ein Diagramm von kumulativen Kohlenwasserstoffemissionen in Abhängigkeit von FTP-Zeit, wobei sich FTP auf das FTP-75 US-Prüfverfahren bezieht;
2 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Beispiels des hierin offenbarten Katalysatorelements;
3A ist eine perspektivische, teilweise aufgeschnittene Ansicht eines Beispiels eines Katalysators;
3B ist eine Vergrößerung von einem Abschnitt von 3A;
4, auf Koordinaten der Umwandlung (in Prozent) und Temperatur (in ºC), ist eine grafische Darstellung der Umwandlung von CO und C₃H₆ abhängig z.°B. von der Einlasstemperatur und vergleichbaren Dieseloxidationskatalysatoren.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Dieseloxidationskatalysatoren und Dreiwegekatalysatoren beinhalten oft Platingruppenmetall (PGM) als aktives katalytisches/Katalysatormaterial. Entweder im Dieseloxidationskatalysator oder dem Dreiwegekatalysator ist das Katalysatormaterial erst betriebsfähig, wenn es auf eine bestimmte Temperatur aufgeheizt ist, die oft als Anspringtemperatur bezeichnet wird. Das Abgas kann verwendet werden, um das Katalysatormaterial auf die Anspringtemperatur zur Behandlung des Abgases aufzuheizen.
Einige kraftstoffsparende Technologien (einschließlich magere Verbrennung, Turboaufladung und frühere Verbrennung) senken die Abgastemperaturen ab. Das Absenken der Abgastemperaturen kann Emissionssteuerung anspruchsvoll gestalten, da das aktive Katalysatormaterial seine Betriebstemperatur nicht in einem gewünschten Zeitrahmen erreicht.
Verschiedene Anstrengungen wurden in Bezug auf die Behandlung des Abgases unternommen. In einem Ansatz wurden Abgasheizeinrichtungen (z.°B. elektrische Heizungsmodule) in das Abgasbehandlungssystem zwischen dem Motor und dem Dieseloxidationskatalysator oder Dreiwegekatalysator eingebracht. Die Abgasheizeinrichtung erhöht die Temperatur des Abgases, was die Zeit verringern kann, um das Katalysatorelement auf die Anspringtemperatur zu erwärmen. Obwohl wirksam beim Beschleunigen der Abgasbehandlung, erhöht die Einbeziehung einer solchen Vorrichtung wesentlich die Komplexität und Kosten des Abgasbehandlungssystems.
In einem anderen Ansatz wurde die Kraftstoffenergie verwendet, um die Abgastemperatur zu erhöhen. So kann beispielsweise Benzin oder Dieselkraftstoff in den Motor nahe dem Ende des Verbrennungszyklus oder in den Abgasstrom stromaufwärts des Katalysators eingespritzt werden. Die Kohlenwasserstoffe vom eingespritzten Kraftstoff verbrennen, um zusätzliche Wärme auf den Abgasstrom aufzubringen, wodurch die Zeit verringert werden kann, das Katalysatorelement bis auf Anspringtemperatur zu bringen. Obwohl wirksam beim Beschleunigen der Abgasbehandlung, wird geschätzt, dass dieser Ansatz den Kraftstoffverbrauch um etwa 3 % pro 50°C Erhöhung der Abgastemperatur erhöht. Steigender Kraftstoffverbrauch zur Erhöhung der Katalysatorelementtemperatur wird angesichts der in Zukunft zu erwartenden strikten Kraftstoffeinsparungsziele schnell nicht wünschenswert.
Anstatt der Erhöhung der Abgastemperatur beinhalten die hierin offenbarten Beispiele Katalysatorelemente mit verbesserter Aktivität. Die Katalysatorelemente können als Schnell-Anspringtemperaturkatalysatorelemente angesehen werden, die zulassen, dass das Katalysatorelement durch Verringern der Abgastemperatur, die für den Betrieb erforderlich ist, früher arbeitet (d.°h. durch Vermindern der Anspringtemperatur). Als solche können die hierin offenbarten Beispiele für Niedrigtemperaturkreislauf CO/HC-Emissionssteuerung, beispielsweise während eines Kaltstartzeitraums (d.°h. einem Versuch zum Starten eines Fahrzeugmotors, wenn er im Verhältnis zu seiner Normalbetriebstemperatur kalt ist) verwendet werden.
Die effektive Regelung der Kohlenwasserstoffemissionen während Kaltstartzeiträumen, beispielsweise bei niedrigen Temperaturen, ist wichtig für die Einhaltung der Emissionsgrenzwerte. Ein Beispiel eines Kaltstartzeitraums ist in 1 dargestellt, wobei es sich um ein Diagramm 100 von kumulativen Auspuff-Kohlenwasserstoffemissionen (in g/ Meile) in Abhängigkeit von der FTP-Zeit (in Sekunden) handelt, worin sich FTP auf den FTP-75-Test bezieht (US-amerikanisches Prüfverfahren 75, das durch die US EPA eingerichtet wurde). In 1 ist Kurve 102 ein Maß für die kumulativen Auspuffemissionen über die Zeit. Abschnitt 102a ist die Zeit, die benötigt wird, um von einem anfänglichen Start zu einem relativ stationären Zustand zu gelangen. Aus diesem Diagramm 100 ist ersichtlich, dass etwa 200 Sekunden oder etwa 3 Minuten benötigt werden, um zu einem relativ stationären Zustand zu gelangen, und dass die Mehrzahl von HC-Auspuffemissionen während der ersten Minuten nach dem Motorkaltstart auftritt, wenn die Abgastemperatur niedrig ist.
Das hierin offenbarte Katalysatorelement verbessert die Niedrigtemperaturoxidation von CO und HC (und verbessert damit die Emissionssteuerung während Kaltstartzeiträumen) durch Vermindern der Anspringtemperatur. Ein Beispiel des Katalysatorelements 10 ist in 2 dargestellt.
Das Katalysatorelement 10 beinhaltet den Träger 12. Der Träger 12 beinhaltet eine poröse Aluminiumoxid(Al₂O₃)-Struktur 14 und einen Seltenerdmetalloxidpromotor 18, der mindestens in einige der Poren 16 der porösen Aluminiumoxidstruktur 14 imprägniert ist.
Die poröse Aluminiumoxidstruktur 14 kann Pulver, Kugeln oder eine andere geeignete Konfiguration sein. Das Porenvolumen der porösen Aluminiumoxidstruktur 14 liegt im Bereich von etwa 0,5 ml/g bis etwa 2 ml/g.
Der Seltenerdmetalloxidpromotor 18 kann CeO₂ (Ceroxid) oder CeO₂-ZrO₂ (Ceroxid-Zirkonoxid) sein. Wenn der Seltenerdmetalloxidpromotor 18 CeO₂-ZrO₂ ist, kann er ein Gewichtsverhältnis von CeO₂:ZrO₂ im Bereich von 90:10 bis 10:90 aufweisen. Der Seltenerdmetalloxidpromotor 18 stellt bis zu etwa 30 Gewichtsprozent (Gew.-%) des Katalysatorelements 10 dar. Die Einbindung der Seltenerdmetalloxide als ein Promotor 18 im Träger 12 des Katalysatorelements 10 reduziert die Anspringtemperatur des Katalysatorelements 10. Als solcher ermöglicht die Zugabe der Seltenerdmetalloxidpromotor 18 einen höheren CO/HC-Oxidationswirkungsgrad bei niedrigeren Temperaturen.
Das Katalysatorelement 10 beinhaltet auch PGM 20, das an den Träger 12 gebunden ist. Das PGM 20 kann mit der Oberfläche der porösen Aluminiumoxidstruktur 14 innerhalb der Poren 16 der porösen Aluminiumoxidstruktur 14 und/oder mit der Oberfläche des Seltenerdmetalloxidpromotors 18 verbunden sein, der innerhalb der Poren 16 der porösen Aluminiumoxidstruktur 14 vorhanden ist. Das PGM 20 ist das aktive katalytische Material und kann Palladium (Pd), Platin (Pt), Rhodium (Rh), Ruthenium (Ru), Osmium (Os), Iridium (Ir) oder verschiedene Kombinationen davon sein (z.°B. Pd und Pt, Pt und Rh, Pd und Rh, Pd, Pt und Rh, Pt und Ir, Pd und Os, oder jede andere Kombination). Das PGM 20 ist im Katalysatorelement 10 in einer Menge im Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% des Katalysatorelements 10 vorhanden.
Das Katalysatorelement 10 kann durch Imprägnieren des Seltenerdmetalloxidpromotors 18 in mindestens einige der Poren 16 der porösen Aluminiumoxidstruktur 14 gebildet werden, um den Träger 12 zu bilden, und dann Ablagern des PGM 20 auf dem Träger 12. Dieses Verfahren reduziert die CO- und HC-Anspringtemperaturen des Katalysatorelements 10 und eines Katalysators, bei dem das Katalysatorelement 10 verwendet wird.
Beim Imprägnieren der Seltenerdmetalloxidpromotors 18 in mindestens einige der Poren 16 der porösen Aluminiumoxidstruktur 14 wird eine Seltenerdmetalloxid-Vorläuferlösung verwendet. Die Seltenerdmetalloxid-Vorläuferlösung kann eine wässrige Lösung sein, enthaltend Wasser und einen Seltenerdmetalloxid-Vorläufer (z.°B. Cer und/oder Zirkoniumnitrat, Cer und/oder Zirkoniumacetat usw.). Beispiele des Seltenerdmetalloxids enthalten eine Cernitrat-Vorläuferlösung, eine Ceracetatlösung, eine Cernitrat- und Zirkoniumnitratlösung, eine Ceracetat- und Zirkoniumacetatlösung oder Kombinationen davon. Die Cernitrat- und/oder Ceracetatlösung können zur Bildung des CeO₂-Vorläufers 18 verwendet werden. Die Cernitrat- und Zirkoniumnitratlösung und/oder die Ceracetat- und Zirkoniumacetatlösung können zur Bildung des CeO₂-ZrO₂-Vorläufers 18 verwendet werden.
Die Konzentration der Vorläuferlösung hängt von der gewünschten Belastung des Seltenerdmetalloxidvorläufers 18 im Katalysatorelement 10 ab. So entsprechen beispielsweise 60 g Gesamtmenge eines Trägers 12 17 % Ceroxid 10,2 g Ceroxid (d.°h. 17 % von 60 g). Das Massenverhältnis von Ceroxid zu Ceroxidvorläufer kann verwendet werden um zu bestimmen, wie viel Cerdioxidvorläufer verwendet werden sollte, um die gewünschte Masse von Cerdioxid für das Katalysatorelement 10 zu erreichen. Mit anderen Worten ausgedrückt kann die gewünschte Masse von Ceroxid für den Träger 12 in die Masse des Vorläufers (z.°B. Cernitrathexahydrat) für die Vorläuferlösung umgewandelt werden. Eine wässrige Lösung kann mit der Masse des Vorläufers und einem Volumen von Wasser zubereitet werden, das beginnende Nässe erreicht. Diese Lösung kann zu 48,8 g getrocknetem Aluminiumoxid zugegeben werden (d.°h. 60 g Gesamtmenge – 10,2 g Ceroxid = g Aluminiumoxid).
Die poröse Aluminiumoxidstruktur 14 (z.°B. Aluminiumoxidpulver, Aluminiumoxidkugeln usw.) wird in die Seltenerdmetalloxid-Vorläuferlösung zugegeben. Es wird zugelassen, dass die poröse Aluminiumoxidstruktur 14 die Seltenerdmetalloxid-Vorläuferlösung absorbiert. Die Absorption kann etwa 1 Stunde bis etwa 2 Stunden auftreten. Die Absorption der Vorläuferlösung in die Poren 16 der porösen Aluminiumoxidstruktur 14 bildet einen Trägervorläufer. Der pH-Wert der Vorläuferlösung wird während der gesamten Imprägnierung aufrechterhalten. Der pH-Wert liegt im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 3. Die Einhaltung des pH-Werts in diesem Bereich verhindert, dass das Seltenerdmetalloxid vorzeitig aus der Lösung ausfällt und auf der Oberfläche der porösen Aluminiumoxidstruktur 14 abgelagert wird. In einigen Fällen wird genügend von der Seltenerdmetalloxidvorläuferlösung zum Füllen der Poren 16 ohne Zugabe von überflüssiger Lösung verwendet.
Der Trägervorläufer wird dann zum Trocknen und Calcinieren freigelegt, um den Seltenerdmetalloxidvorläufer in den Seltenerdmetalloxidpromotor 18 umzuwandeln. Diese Umwandlung erfolgt innerhalb der Poren 16 der porösen Aluminiumoxidstruktur 14. Beim Trocknen und Calcinieren wird der gebildete Seltenerdmetalloxidpromotor 18 an die Porenoberflächen der porösen Aluminiumoxidstruktur 14 gebunden. Durch dieses Verfahren wird der Träger 12 gebildet. Trocknen kann bei einer Temperatur im Bereich von etwa 90°C bis etwa 120°C ausgeführt werden, und Calcinieren kann bei einer Temperatur im Bereich von etwa 350°C bis etwa 650°C ausgeführt werden. In einem Beispiel wird Trocknen bei einer Temperatur von etwa 120°C ausgeführt und Calcinieren wird bei einer Temperatur von etwa 550°C ausgeführt.
Nachdem der Träger 12 gebildet ist, wird das PGM 20 dann auf dem Träger 12 abgelagert. Das PGM kann mittels eines Porenfüllverfahrens abgelagert werden, das ähnlich wie das zuvor beschriebene Imprägnierverfahren ist. Beim Imprägnieren des PGM 20 auf den Träger 12 wird eine PGM-Vorläuferlösung verwendet. Die PGM-Vorläuferlösung kann eine wässrige Lösung sein, enthaltend Wasser und einen PGM-Vorläufer (z.°B. Platin, Palladium, Nitrat und/oder Rhodium, Platin, Palladium, und/oder Rhodiumacetat, Platin(II)-Chlorid, Chloroplatinsäure usw.). PGM-Vorläufer von Ruthenium, Osmium und/oder Iridium können ebenfalls verwendet werden. Beispiele der PGM-Vorläuferlösung beinhalten eine Platinnitratlösung, eine Platinacetatlösung, eine Palladiumnitratlösung, eine Palladiumacetatlösung, eine Rhodiumnitratlösung, eine Rhodiumacetatlösung, eine Platin(II)-Chloridlösung oder Kombinationen davon. Die Kombinationen können verwendet werden, um Mischungen unterschiedlicher Arten von PGM 20 zu bilden (z.°B. eine Mischung aus Platin- und Palladiumpartikeln). Die Konzentration der Vorläuferlösung hängt von der gewünschten Ladung des PGM 20 auf dem Träger 12 und im Katalysatorelement 10 ab.
Die PGM-Vorläuferlösung wird zum Träger 12 zugegeben, und kann in jedem verbleibenden Raum innerhalb der Poren 16 absorbiert werden. Der Träger 12 wird dann zum Trocknen und Calcinieren freigelegt, um den PGM-Vorläufer in PGM 20 umzuwandeln. In einem Beispiel wird Trocknen in Luft für eine Zeitdauer im Bereich von etwa 12 Stunden bis etwa 24 Stunden, und Calcinieren bei einer Temperatur von etwa 550°C für eine Zeitdauer von etwa 2 Stunden ausgeführt. Dieses Verfahren baut den PGM-Vorläufer ab und bildet das PGM 20.
Als Ergebnis dieses Verfahrens, und da die Poren 16 der porösen Aluminiumoxidstruktur 14 mindestens teilweise mit dem Seltenerdmetalloxidpromotor 18 aufgefüllt wurden, kann das PGM 20 mit äußeren Oberflächen der porösen Aluminiumoxidstruktur 14, beliebigen inneren Oberflächen der Poren 16 der porösen Aluminiumoxidstruktur 14, die nicht bereits von dem Seltenerdmetalloxidpromotor 18 belegt sind, und/oder mit der Oberfläche des Seltenerdmetalloxidpromotors 18 innerhalb der Poren 16 der porösen Aluminiumoxidstruktur 14 verbunden werden.
Das Katalysatorelement 10 kann auf ein monolithisches Substrat aufgebracht, und in einem Katalysator verwendet werden. Ein Beispiel des Katalysators ist in 3A dargestellt und ein Beispiel des monolithischen Substrats ist in 3A und 3B dargestellt.
Der Katalysator 30 beinhaltet das monolithische Substrat 22. Das monolithische Substrat 22 kann aus einer Keramik- oder Metalllegierung gebildet werden, die in der Lage ist, gegen hohe Temperaturen (z.°B. 100°C oder höher) beständig zu sein. Synthetisches Cordierit ist ein Magnesium-Aluminiumsilicat-Keramikmaterial, das zur Verwendung als monolithisches Substrat 22 geeignet ist. Eine ferritische Eisen-Chrom-Aluminiumlegierung ist ein Beispiel einer Metalllegierung, die zur Verwendung als monolithisches Substrat 22 geeignet ist. Das monolithische Substrat 22 weist eine Waben- oder andere dreidimensionale Struktur auf.
Eine vergrößerte Teilansicht eines Teils des monolithischen Substrats 22 ist in 3B dargestellt. Das monolithische Substrat 22 beinhaltet eine große Anzahl von parallelen Strömungskanälen 24, um einen ausreichenden Kontaktbereich zwischen dem Abgas 26 und dem Katalysatorelement 10 (enthalten in Beschichtung 28) zuzulassen, ohne übermäßige Druckverluste zu erzeugen.
Die Beschichtung 28 beinhaltet das Katalysatorelement 10, das hierin offenbart ist. In einigen Fällen kann die Beschichtung 28 auch ein Bindemittelmaterial (z.°B. Sol-Bindemittel oder dergleichen) beinhalten. Die Beschichtung 28 kann auf das monolithische Substrat 22 durch Waschbeschichtung oder einige andere ähnliche Verfahren aufgebracht werden.
Unter erneuter Bezugnahme auf 3A ist das monolithische Substrat 22 im Katalysator 30 von einer Matte 32 umgeben, die wiederum von Isolierung 34 umgeben ist. Eine obere und untere Schale 36, 38 (aus Metall) können zwischen der Matte 32 und der Isolierung 34 positioniert werden. Eine Isolierabdeckung 40 kann über der oberen Schale 36 und der Isolierung 34 darauf positioniert werden, und eine Abschirmung 42 kann an der unteren Schale 38 und der Isolierung 34 darauf angrenzend positioniert werden.
Der Katalysator 30 kann ein Dieseloxidationskatalysator sein, der bei einem Dieselmotor verwendet wird. Der Dieseloxidationskatalysator ist ein Zweiwegekatalysator, der Kohlenwasserstoffe und CO durch deren Oxidation jeweils zu Wasser und CO₂ eliminiert. Der Dieseloxidationskatalysator kann auch NO_x-Speicherfähigkeit während des Kaltstartzeitrums des Fahrzeugs aufweisen. Bei solchen Dieselmotoren kann die Reduktion von NO_x zu Wasser und N₂ in einer separaten Einheit erfolgen, und kann die Einspritzung von Harnstoff in die Abgase umfassen. In einem Beispiel beträgt die Kohlenmonoxid(CO)-Anspringtemperatur des Dieseloxidationskatalysators 184°C oder weniger und die Kohlenwasserstoff-Anspringtemperatur des Dieseloxidationskatalysators beträgt 197°C oder weniger.
Der Katalysator 30 kann auch ein Dreiwegekatalysator sein, der bei einem stöchiometrischen Fremdzündungsmotor verwendet wird. Der Dreiwegekatalysator ist ein Dreiwegekatalysator, der NOx zu N₂ reduziert, und HC und CO jeweils zu Wasser und CO₂ oxidiert. Es wird davon ausgegangen, dass das hierin offenbarte Katalysatorelement 10 dadurch auch die Anspringtemperatur des Dreiwegekatalysators reduzieren kann.
Zur weiteren Darstellung der vorliegenden Offenbarung werden hier Beispiele angeführt. Es ist selbstverständlich, dass diese Beispiele zu Veranschaulichungszwecken bereitgestellt werden und nicht als den Umfang der vorliegenden Offenbarung einschränkend ausgelegt werden dürfen.
BEISPIEL 1
Dieseloxidationskatalysatorpulver wurden zubereitet. Ein Vergleichs-Dieseloxidationskatalysatorpulver beinhaltete eine Platin-/Palladiummischung, die auf einer porösen Aluminiumoxidstruktur getragen wurde. Das Vergleichs-Dieseloxidationskatalysatorpulver wurde durch Laden von 1 Gew.-% Pt und 0,5 Gew.-% Pd auf die poröse Aluminiumoxidstruktur unter Verwendung eines Imprägnierverfahrens zubereitet. Die bei dem Imprägnierverfahren verwendeten Lösungen waren eine Chloroplatinsäurelösung und eine Palladiumnitratlösung.
Ein exemplarisches Dieseloxidationskatalysatorpulver beinhaltete eine Platin-/Palladiummischung auf einer porösen Aluminiumoxidstruktur, in deren Poren Ceroxid imprägniert war. 60 g Gesamtmenge von Träger mit 17 % Ceroxid wurde zubereitet. Eine wässrige Lösung von Cernitrathexahydrat (genug, um 10,2 g Ceroxid (17 % von 60) im Träger zu bilden) in Wasser (genug Volumen für beginnende Nässe) wurde zubereitet. Die Lösung wurde mit 48,8 g getrocknetem Aluminiumoxid gemischt, und die Lösung wurde von den Poren des Aluminiumoxids absorbiert. Der Träger wurde getrocknet und calciniert. 1 Gew.-% Pt und 0,5 Gew.-% Pd wurden auf den mit Ceroxid imprägnierten Aluminiumoxidträger unter Verwendung eines Imprägnierverfahrens geladen (Verwendung einer Chloroplatinsäurelösung und einer Palladiumnitratlösung), Trocknen in Luft über Nacht und Calcinieren bei 550°C für 2 Stunden.
Die Vergleichs- und exemplarischen Pulverkatalysatorelemente wurden hydrothermaler Alterung in einem Ofen bei 750°C für 48 Stunden in Luft mit 10 % Wasserdampf ausgesetzt. Vor der Auswertung wurden die gealterten Vergleichs- und exemplarischen Pulverkatalysatorelemente bei 500°C für 30 Minuten unter 10 % Sauerstoffgas (O₂) vorbehandelt.
Diese Katalysatorelemente wurden dann Abgas (enthaltend 500 ppm CO, 240 ppm C₃H₆, 120 ppm C₃H₈, 5 % O₂, und 5 % H₂O) bei einer Eingangstemperatur ausgesetzt, die mit einer Rate von 10°C pro Minute erhöht wurde. Die Raumgeschwindigkeit (SV) betrug 960.000 cm³ g_{Katalysatorelement} ^–1 h^–1, wobei sich Raumgeschwindigkeit auf den Quotienten aus der Eingabe des Volumenstroms der Reaktantengeteilt durch das Reaktorvolumen (oder das Katalysatorelement-Bettvolumen) in einer Zeiteinheit bezieht. Die Umwandlung von CO und C₃H₆ wurde bestimmt.
4 ist ein Diagramm 200 der Prozentumwandlung von CO und C₃H₆ abhängig von Einlasstemperatur in ºC. Zwei Sätze Kurvenverläufe sind in 4 dargestellt. Ein mit 202 bezeichneter Satz beinhaltet jeweils Kurven 204 und 206 C₃H₆ und CO-Oxidation durch das Vergleichs-Pulverkatalysatorelement. Ein mit 208 bezeichneter zweiter Satz beinhaltet jeweils Kurven 210 und 212 für C₃H₆ und CO-Oxidation durch das Vergleichs-Pulverkatalysatorelement. Das heißt, dass die Kurve 206 die CO-Umwandlung für das PtPd/ Al₂O₃-Vergleichskatalysatorelement darstellt, und Kurve 212 die CO-Umwandlung für den PtPd/ CeO₂ imprägnierten-Al₂O₃-Katalysator darstellt; während Kurve 204 die C₃H₆-Umwandlung für das PtPd/ Al₂O₃-Vergleichskatalysatorelement darstellt, und Kurve 210 die C₃H₆-Umwandlung für das PtPd/ CeO₂ imprägnierte-Al₂O₃-Beispielkatalysatorelement darstellt. Es ist eine erhebliche Abnahme bei der Anspringtemperatur vorhanden, wenn die PGMs auf Al₂O₃ getragen werden, das imprägniertes Ceroxid enthält. Tabelle I stellt die Anspringtemperaturen dar, wie bei T₅₀ gemessen, wobei es sich um die Temperatur handelt, bei der 50 % Umwandlung erreicht werden. Je niedriger T₅₀, umso besser. Wie veranschaulicht, legt das hierin offenbarte Katalysatorelement (einschließlich des Seltenerdmetalloxidpromotors, der in die poröse Aluminiumoxidstruktur imprägniert ist) geringere CO/HC-Anspringtemperaturen an den Tag als das Vergleichskatalysatorelement mit dem porösen Aluminiumoxidpromotor. Tabelle I. CO/C₃H₆ Anspringtemperatur (T₅₀).

Vergleichs-PtPd/Al₂O₃ PtPd/CeO₂ imprägniertes-Al₂O₃ ΔT

CO 223ºC 184ºC 39ºC

C₃H₆ 233ºC 197ºC 36ºC
Die Absenkung der Anspringtemperaturen (ΔT im Bereich von etwa 30 ºC bis etwa 40°C) des PtPd/ CeO₂ imprägnierten-Al₂O₃-Katalysatorelements (im Vergleich zum PtPd/ Al₂O₃-Katalysatorelement) ist teilweise deshalb vorteilhaft, weil das Katalysatorelement zu CO- und HC-Oxidationsaktivität bei niedrigeren Temperaturen in der Lage ist. Es wird auch erwartet, dass sich dies darin niederschlägt, dass bedeutend niedrigere PGM-Ladungen für die gleiche Leistung erforderlich sind, was zu einer Kostenreduzierung bei den im Katalysatorelement eingesetzten Edelmetallen führen kann.
Es versteht sich, dass die hierin bereitgestellten Bereiche den angegebenen Bereich und einen beliebigen Wert oder Teilbereich innerhalb des angegebenen Bereichs beinhalten. So sollte beispielsweise ein Bereich von etwa 90:10 bis 10:90 dahingehend interpretiert werden, dass er nicht nur die explizit angegebenen Grenzen von etwa 90:10 bis 10:90, sondern auch Einzelwerte beinhaltet, wie beispielsweise 70:10, 10:20 usw., und Abschnittbereiche, wie von etwa 60:30 (d.°h. 2:1) bis etwa 10:30 usw. Weiterhin, wenn „etwa“ verwendet wird, um einen Wert zu beschreiben, ist dies in der Weise zu verstehen, dass geringfügige Variationen des angegebenen Wertes darin enthalten sind (bis zu +/–10 %).
Bezugnahme in der Beschreibung auf „ein Beispiel“, „ein weiteres Beispiel“, „Beispiel“ usw. bedeutet, dass ein bestimmtes Element (z.°B. Merkmal, Struktur und/oder Eigenschaft), die in Verbindung mit dem Beispiel beschrieben ist, in mindestens einem hierin beschriebenen Beispiel beinhaltet ist und in anderen Beispielen vorhanden sein kann oder nicht. Darüber hinaus versteht es sich, dass die beschriebenen Elemente für jedes Beispiel in jeder geeigneten Weise in den verschiedenen Beispielen kombiniert werden können, sofern der Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes vorschreibt.
Beim Beschreiben und Beanspruchen der hierin offenbarten Beispiele beinhalten die Singularformen „ein“, „eine“ und „der/die/das“ Mehrzahlbezüge, sofern der Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes vorschreibt.
Zwar wurden mehrere Beispiele im Detail beschrieben, es versteht sich jedoch von selbst, dass die offenbarten Beispiele modifiziert werden können. Daher ist die vorstehende Beschreibung als exemplarisch und nicht einschränkend anzusehen.

Claims

Katalysator, umfassend: ein Katalysatorelement zur Verbesserung der Niedrigtemperaturoxidation von Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffen, wobei das Katalysatorelement Folgendes beinhaltet: einen Träger, der eine poröse Aluminiumoxidstruktur und einen Seltenerdmetalloxidpromotor beinhaltet, der in Poren der porösen Aluminiumoxidstruktur imprägniert ist, wobei der Seltenerdmetalloxidpromotor aus der Gruppe bestehend aus CeO₂ und CeO₂-ZrO₂ ausgewählt ist; und ein Platingruppenmetall (PGM), das mit dem Träger verbunden ist.
Katalysator nach Anspruch 1, worin: das PGM aus der Gruppe bestehend aus Palladium, Platin, Rhodium, Ruthenium, Iridium, Osmium, und Kombinationen davon ausgewählt ist; und das PGM in einer Menge im Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% des Katalysatorelements vorhanden ist.
Katalysator nach Anspruch 1, worin der Seltenerdmetalloxidpromotor in einer Menge bis zu etwa 30 Gew.-% des Katalysatorelements vorhanden ist.
Katalysator nach Anspruch 1, worin der Seltenerdmetalloxidpromotor CeO₂-ZrO₂ ist, und ein Gewichtsverhältnis von CeO₂:ZrO₂ im Bereich von etwa 90:10 bis 10:90 aufweist.
Katalysator nach Anspruch 1, worin: der Katalysator ein Dieseloxidationskatalysator (DOC) ist; und eine Kohlenmonoxid(CO)-Anspringtemperatur des Dieseloxidationskatalysators 184°C oder weniger und die Kohlenwasserstoff-Anspringtemperatur des Dieseloxidationskatalysators 197°C oder weniger beträgt.
Katalysator nach Anspruch 1, worin der Katalysator ein Dreiwegekatalysator (TWC) ist.
Verfahren zum Reduzieren der Kohlenmonoxid(CO)- und Kohlenwasserstoff-Anspringtemperaturen eines Katalysators, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: das Imprägnieren eines Seltenerdmetalloxidpromotors in Poren einer porösen Aluminiumoxidstruktur, wodurch ein Träger gebildet wird, worin der Seltenerdmetalloxidpromotor aus der Gruppe bestehend aus CeO₂ und CeO₂-ZrO₂ ausgewählt ist; und das Ablagern eines Platingruppenmetalls (PGM) auf dem Träger.
Verfahren nach Anspruch 7, worin das Imprägnieren des Seltenerdmetalloxidpromotors in Poren der porösen Aluminiumoxidstruktur beinhaltet: das Zugeben von Aluminiumoxidpulver in eine Seltenerdmetalloxidpromotor-Vorläuferlösung, die aus der Gruppe bestehend aus Cernitratlösung, einer Ceracetatlösung, einer Cernitrat- und Zirkoniumnitratlösung, einer Ceracetat- und Zirkoniumacetatlösung oder Kombinationen davon ausgewählt wird; das Zulassen, dass das Aluminiumoxidpulver die Seltenerdmetalloxidpromotor-Vorläuferlösung zur Bildung eines Trägervorläufers absorbiert; und das Trocknen und Calcinieren des Trägervorläufers, wodurch Oxidieren eines Seltenerdmetalloxid-Vorläufers in der Seltenerdmetalloxidpromotor-Vorläuferlösung zur Bildung des Seltenerdmetalloxidpromotors erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8, worin die Trocknung bei etwa 120°C und Calcinieren bei etwa 550°C erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, worin ein pH-Wert der Seltenerdmetalloxidpromotor-Vorläuferlösung während der Imprägnierung aufrechterhalten wird.
Dieseloxidationskatalysator (DOC), umfassend: ein monolithisches Substrat, das eine Wabenstruktur aufweist; und ein Katalysatorelement, das auf inneren Oberflächen der Wabenstruktur aufgebracht wird, wobei das Katalysatorelement Folgendes beinhaltet: einen Träger, der eine poröse Aluminiumoxidstruktur und einen Seltenerdmetalloxidpromotor beinhaltet, der in Poren der porösen Aluminiumoxidstruktur imprägniert ist, wobei der Seltenerdmetalloxidpromotor aus der Gruppe bestehend aus CeO₂ und CeO₂-ZrO₂ ausgewählt ist; und ein Platingruppenmetall (PGM), das mit dem Träger verbunden ist; worin jede von einer Kohlenmonoxid(CO)-Anspringtemperatur des Dieseloxidationskatalysators und einer Kohlenwasserstoff-Anspringtemperatur des Dieseloxidationskatalysators weniger als 200°C beträgt.