DE102018102421A1 - Katalysator zur emissionssteuerung eines kraftfahrzeugs - Google Patents

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Andrew Gregory Getsoian
Joseph Robert Theis
Christine Kay Lambert
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Abstract

Ein Verfahren verwendet einen katalytischen Dreiwegekonverter mit einem Katalysator, der aus einer Vielzahl von Partikeln gebildet ist, wobei jedes ein Zentrum aus einem ersten Metalloxid, eine Einzelschicht aus einem zweiten Metalloxid und ein katalytisch aktives Metall zum Verringern der Konzentration von Kohlenwasserstoffen, Kohlenstoffmonoxid und Stickstoffoxiden im Abgas während stöchiometrischen, fetten und mageren Bedingungen beinhaltet, wobei ein Molverhältnis des Metalls in den Einzelschichten zu dem Metall in den Zentren zwischen etwa 0,01 und 0,2 beträgt.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die Offenbarung betrifft einen Katalysator für ein Kraftfahrzeug, ein Verfahren zum Betreiben des Katalysators und ein Verfahren zum Produzieren desselben.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Die Reduzierung von Auspuffemissionen ist ein herausforderndes Ziel in der Kraftfahrzeugindustrie. Da die zulässigen Werte für Auspuffemissionen immer weiter gesenkt werden, müssen Technologien kontinuierliche verbessert werden, um die Standards zu erfüllen. Viele Bemühungen fokussieren sich auf die Reduzierung der Emission von verschiedenen Kohlenwasserstoffen (KW), Kohlenstoffmonoxid (CO) und Mono-Stickstoffoxiden NO und NO2 (NOx). Verschiedene Katalysatoren, die in der Lage sind, KW-Arten, CO und NOx umzuwandeln, wurden entwickelt. Das Bereitstellen eines Katalysators, der zur Umwandlung bei relativ niedrigen Temperaturen sowie während verschiedener Betriebsbedingungen des Motors in der Lage ist, bleibt jedoch weiter eine Herausforderung.
  • KURZDARSTELLUNG
  • In mindestens einer Ausführungsform wird ein Verfahren offenbart. Das Verfahren verwendet einen katalytischen Dreiwegekonverter mit einem Katalysator, der aus einer Vielzahl von Partikeln gebildet ist, wobei jedes ein Zentrum aus einem ersten Metalloxid, eine Einzelschicht aus einem zweiten Metalloxid und ein katalytisch aktives Metall zum Verringern der Konzentration von Kohlenwasserstoffen, Kohlenstoffmonoxid und Stickstoffoxiden im Abgas während stöchiometrischen, fetten und mageren Bedingungen beinhaltet, wobei ein Molverhältnis des Metalls in den Einzelschichten zu dem Metall in den Zentren zwischen etwa 0,01 und 0,2 beträgt. Die Grenzflächen zwischen den Zentren und Einzelschichten, den Einzelschichten oder beide beinhalten katalytisch aktives Metall. Einige der Einzelschichten können kontinuierlich sein. Die Zentren können Übergangsaluminiumoxid, -bariumoxid, - lanthanoxid, -siliciumoxid, -titanoxid, -zirkonoxid oder eine Kombination davon beinhalten. Die Einzelschichten können Ceroxid, Cobaltoxid, Eisenoxid, Hafniumoxid, Magnanoxid, Nioboxid, Tantaloxid, Titanoxid, Zirkonoxid oder eine Kombination davon beinhalten. Die Zentren können mit etwa 1 bis 15 Gew.-% Barium, Lanthan, Silicium oder einer Kombination davon, bezogen auf ein Gesamtgewicht des Katalysators, stabilisiert sein. Die Ladung des katalytisch aktiven Metalls kann etwa 2,0 Gew.-% für Palladium und etwa 0,5 Gew.-% für Rhodium, bezogen auf das Gesamtgewicht des Katalysators, betragen. Der Katalysator kann auf ein Keramik- oder Metallmonolithsubstrat aufgetragen sein, welches Durchflusskanäle oder eine Wandflusskonfiguration definiert. Das Verfahren kann ferner Fangen und Oxidieren von Ruß während eines Kaltstarts beinhalten. Das Verfahren kann ferner Umwandeln von mindestens 90 % CO bei einer Temperatur zwischen etwa 150 °C und 250 °C, NO bei einer Temperatur zwischen etwa 200 °C und 270 °C, C2H4 bei einer Temperatur zwischen etwa 200 °C und 270 °C, C3H6 bei einer Temperatur zwischen etwa 200 °C und 270 °C, C3H8 bei einer Temperatur zwischen 230 °C und 350 °C oder eine Kombination davon beinhalten.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Bilden eines katalytischen Konverterkatalysators offenbart. Das Verfahren kann Anordnen eines ersten und zweiten Metalloxids zum Formen von Partikeln, jeweils mit einem Zentrum des ersten Metalloxids und einer Einzelschicht des zweiten Metalloxids auf dem Zentrum, durch Inkontaktbringen der Zentren mit einem löslichen Komplex eines oder mehrerer Elemente des zweiten Metalloxids bei einem Molverhältnis von Metall in dem zweiten Metalloxid zu Metall in dem ersten Metalloxid von etwa 0,01 zu 0,2 beinhalten. Das Verfahren kann ferner Ablagern des katalytisch aktiven Metalls auf jeder der Einzelschichten bei Grenzflächen zwischen dem ersten und zweiten Metalloxid oder beiden beinhalten. Der lösliche Komplex kann eine oder mehrere Alkoxidgruppen beinhalten. Der lösliche Komplex kann ein Metallalkoxid mit einer Mx(OR)v (I), wobei M für Ti, Zr, Hf, Ni oder Ta steht, R für eine lineare oder verzweigte Alkylgruppe mit einer Formel CnH2n+1 steht, wobei n 1 bis 6 ist; x 1 oder 2 ist und v 4, 5, 8 oder 10 ist. Das Verfahren kann ferner Auftragen des gebildeten Katalysators auf ein Keramik- oder Metallmonolithsubstrat beinhalten.
  • In noch einer weiteren Ausführungsform wird ein katalytischer Konverterkatalysator für ein Kraftfahrzeug offenbart. Der Katalysator beinhaltet ein erstes Metalloxid, welches jedes einer Vielzahl von Partikelzentren des katalytischen Konverterkatalysators für ein Kraftfahrzeug bildet. Der Katalysator beinhaltet ebenfalls ein zweites Metalloxid, das als eine Einzelschicht auf jedes der Zentren aufgetragen wird. Der Katalysator beinhaltet ferner ein katalytisch aktives Metall, das auf jede/s der Zentren, der Einzelschichten oder beide abgelagert ist, wobei ein Molverhältnis von Metall im zweiten Metalloxid zu Metall im ersten Metalloxid zwischen 0,01 und 0,2 beträgt. Einige der Einzelschichten können diskontinuierlich sein. Das erste Metalloxid kann Übergangsaluminiumoxid, -bariumoxid, -lanthanoxid, -siliciumoxid, -titanoxid, - zirkonoxid oder eine Kombination davon beinhalten. Das zweite Metalloxid kann Ceroxid, Cobaltoxid, Eisenoxid, Hafniumoxid, Magnanoxid, Nioboxid, Tantaloxid, Titanoxid, Zirkonoxid oder eine Kombination davon beinhalten. Das erste Metalloxid kann mit etwa 1 bis 15 Gew.-% Barium, Lanthan, Silicium oder einer Kombination davon, bezogen auf das Gesamtgewicht des Katalysators, stabilisiert sein. Das erste Metalloxid kann Übergangsaluminiumoxid sein, das zweite Metalloxid kann etwa 10-14 Gew.-% TiO2 sein und das katalytisch aktive Metall kann Rhodium bei etwa 0,3-0,7 Gew.-% Ladung, bezogen auf ein Gesamtgewicht des Katalysators sein.
  • Figurenliste
    • 1A stellt eine Reihe von Transmissionselektronenmikroskopie(TEM)-Fotografien dar, die einen Katalysatorpartikel und seine entsprechenden Schichten vor der Alterung (Frisch) und nach dem Alterungstest mit vier Modi gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen erfassen;
    • Die 1B und 1D zeigen einen schematischen Querschnitt des in 1A dargestellten Katalysatorpartikel s;
    • 1C stellt eine schematische Draufsicht des in 1A dargestellten Katalysatorpartikels dar;
    • 2 stellt einen Verlauf der Umwandlungstemperatur gegenüber Umwandlung von 90 % KW, CO und NO durch einen Katalysator mit verschiedenen Ladungen von Palladium auf 8 Gew.-% Titan (12 Gew.-% TiO2), welches stabilisiertes Al2O3-Trägeroxid überlagert, nach magerem Alterungstest dar, der bei Stöchiometrie gemessen wurde;
    • Die 3 und 4 stellen Verläufe von Rhodium-Ladung gegenüber KW-, CO- und NOx-Umwandlung durch Katalysatoren mit verschiedenen Ladungen von Rhodium auf 15 Gew.-% Zirkonium (17 Gew.-% ZrO2), welches stabilisierten Al2O3-Träger überlagert, nach Alterungstest mit vier Modi dar, der bei Stöchiometrie gemessen wurde;
    • 5 zeigt einen schematischen katalytischen Konverter, der einen Katalysator nach einer oder mehreren Ausführungsformen enthält;
    • 6 zeigt einen Verlauf der Umwandlungstemperatur gegenüber der prozentualen Umwandlung für CO, NOx und Propan eines Katalysators nach dem Stand der Technik und eines offenbarten Katalysators nach einer oder mehreren Ausführungsformen;
    • 7 zeigt schematisch unterschiedliche Modi des Alterungstests mit vier Modi;
    • 8 stellt einen Verlauf der Umwandlungstemperatur gegenüber der prozentualen Umwandlung von KW, CO und NOx durch einen Katalysator mit einer Ladung von 0,5 Gew.-% Rhodium auf 8 Gew.-% Ti (12 Gew.-% TiO2), welches stabilisiertes Al2O3-Trägeroxid überlagert, nach dem Alterungstest mit vier Modi dar, der bei Stöchiometrie gemessen wurde; und
    • 9 zeigt einen Verlauf der Umwandlungstemperatur gegenüber der Umwandlung von 90 % KW, CO und NO durch einen Katalysator mit einer Ladung von 0,5 Gew.-% Rhodium auf verschiedenen Ladungen von TiO2, welches stabilisiertes Al2O3-Trägeroxid überlagert, nach dem Alterungstest mit vier Modi, der bei Stöchiometrie gemessen wurde.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden hier beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht zwingend maßstabsgetreu; einige Merkmale können vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um Einzelheiten von bestimmten Komponenten zu zeigen. Demnach sind hier offenbarte spezifische strukturelle und funktionelle Einzelheiten nicht als einschränkend auszulegen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um einen Fachmann eine vielfältige Verwendung der vorliegenden Erfindung zu lehren. Der Durchschnittsfachmann wird verstehen, dass verschiedene Merkmale, die unter Bezugnahme auf beliebige der Figuren veranschaulicht und beschrieben sind, mit Merkmalen kombiniert sein können, die in einer oder mehreren anderen Figuren veranschaulicht sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht ausdrücklich veranschaulicht oder beschrieben sind. Die Kombinationen aus veranschaulichten Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung vereinbar sind, könnten dabei jedoch für bestimmte Anwendungen oder Umsetzungen wünschenswert sein.
  • Sofern nicht ausdrücklich angegeben, sind alle numerischen Mengen in dieser Beschreibung, die Abmessungen oder Materialeigenschaften angeben, bei der Beschreibung des breitesten Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung als durch das Wort „ungefähr“ modifiziert zu verstehen.
  • Die erste Definition eines Akronyms oder einer anderen Abkürzung gilt für alle nachfolgenden Verwendungen dieser Abkürzung in dieser Schrift und gilt in entsprechender Anwendung für normale grammatikalische Variationen der ursprünglich definierten Abkürzung. Sofern nicht ausdrücklich etwas Gegenteiliges angegeben ist, wird die Messung einer Eigenschaft durch dieselbe Technik bestimmt, die vorher oder später für dieselbe Eigenschaft angegeben wurde.
  • Es wird ausführlich auf Zusammensetzungen, Ausführungsformen und Verfahren der vorliegenden Erfindung, die den Erfindern bekannt sind, Bezug genommen. Es versteht sich jedoch, dass es sich bei den offenbarten Ausführungsformen lediglich um Beispiele für die vorliegende Erfindung handelt, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt sein kann. Dementsprechend sind hierin offenbarte spezifische Einzelheiten nicht als einschränkend auszulegen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um einen Fachmann auf dem Gebiet eine vielfältige Verwendung der vorliegenden Erfindung zu lehren.
  • Die Beschreibung einer Gruppe oder Klasse von Materialien als für einen gegebenen Zweck in Verbindung mit einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung geeignet, impliziert, dass Gemische aus beliebigen zwei oder mehreren der Glieder der Gruppe oder Klasse geeignet sind. Die Beschreibung von Bestandteilen mit chemischen Fachbegriffen bezieht sich auf die Bestandteile zum Zeitpunkt der Zugabe zu einer beliebigen in der Beschreibung spezifizierten Kombination und schließt nicht zwingend chemische Interaktionen zwischen Bestandteilen des Gemisches aus, sobald sie vermischt sind. Die erste Definition eines Akronyms oder einer anderen Abkürzung gilt für alle nachfolgenden Verwendungen dieser Abkürzung in dieser Schrift und gilt in entsprechender Anwendung für normale grammatikalische Variationen der ursprünglich definierten Abkürzung. Sofern nicht ausdrücklich etwas Gegenteiliges angegeben ist, wird die Messung einer Eigenschaft durch dieselbe Technik bestimmt, die vorher oder später für dieselbe Eigenschaft angegeben wurde.
  • Das Abgas von Verbrennungsmotoren, einschließlich jener, die in Kraftfahrzeuganwendungen verwendet werden, enthält KW, CO und NOx in Konzentrationen, die mehr betragen, als möglicherweise in die Umwelt ausgestoßen werden kann. Da der Bedarf für umweltbewusste Techniken wächst, werden Bestimmungen in Bezug auf die Kraftfahrzeugemissionen immer strenger. Eine beispielhafte Klassifizierung für Personenkraftwagenemissionen ist Super Ultra-Low Emission Vehicle SULEV20 und SULEV30. Die SULEV-Klassifizierung basiert auf der Produktion von 90 % weniger Emissionen als ein äquivalentes benzinbetriebenes Fahrzeug. Die SULEV-Fahrzeuge sind somit 90 % sauberer als das durchschnittliche neue Fahrzeug für das Modelljahr. Um die SULEV- und ähnliche Klassifizierungen einzuhalten, wurden verschiedene Strategien umgesetzt, zum Beispiel Verbessern von Katalysatoren, die in katalytischen Konvertern enthalten sind.
  • Die Konzentrationen der vorstehend genannten unerwünschten Abgaskomponenten werden typischerweise durch deren Interaktion mit einem geeigneten katalytischen Konverter reduziert. Ein typischer katalytischer Konverter kann ein Edelmetall beinhalten, das auf Oxiden von Aluminium, Cer, Zirkonium oder dergleichen verteilt ist. Die Fähigkeit eines katalytischen Konverters, Konzentrationen von KW, CO und NOx effektiv zu verringern, hängt von der Temperatur des katalytischen Konverters ab. Die Temperatur, über welcher der katalytische Konverter bei der Umwandlung einer bestimmten Abgaskomponente aktiv wird, wird als die Anspringtemperatur dieser Komponente bezeichnet.
  • Unter einigen Fahrzeugbetriebsbedingungen, insbesondere unter Kaltstartbedingungen, kann Motorabgas durch einen katalytischen Konverter verlaufen, während die Temperatur des Konverters unter der Anspringtemperatur einer oder mehrerer Abgaskomponenten liegt. Katstartemissionen beziehen sich auf die Emissionen von Benzin- und Dieselpersonenkraftwagen, welche durch Katalysatoren während der Aufwärmphase des Fahrzeugs nicht reduziert werden. Bevor der Motor die Temperatur erreicht, die ausreicht, um den Katalysator aufzuwärmen, nachdem ein Fahrzeug gestartet wurde, werden Emissionen nicht reduziert und stellen somit einen signifikanten Anteil der gesamten Auspuffemissionen dar. Die Dauer der Kaltstartperiode und die während dieser Phase produzierten Gesamtemissionen hängen von der Umgebungstemperatur, dem Typ des verwendeten Kraftstoffs, der Anfangstemperatur des Fahrzeugantriebssystems und anderen Faktoren ab. Unter derartigen Betriebsbedingungen ist der katalytische Konverter nicht in der Lage, die Konzentration einer oder mehrerer unerwünschter Abgaskomponenten effektiv zu reduzieren. Somit wäre es wünschenswert, einen Katalysator zu entwickeln, der in der Lage ist, sich schnell aufzuwärmen und bei relativ niedrigen Temperaturen, wie zum Beispiel 150 °C, anzuspringen.
  • Außerdem können zukünftige, kraftstoffeffizientere Antriebsstränge, die Verbrennungsmotoren verwenden, niedrigere Betriebstemperaturen als heutige Antriebsstränge aufweisen. Diese niedrigeren Betriebstemperaturen können Abgas mit Temperaturen unter dem aktuellen Aktivitätsfenster heutiger Dreiwegekatalysatoren erzeugen. Daher ist es wünschenswert, die Anspringtemperatur eines katalytischen Konverters zu verringern, um den Bereich von Fahrzeugbetriebsbedingungen zu erweitern, unter welchen der katalytische Konverter effektiv ist.
  • Ferner, wie vorstehend erwähnt, setzt ein typischer katalytischer Konverter ein oder mehrere Edelmetalle um, welche die katalytische Aktivität zum Fördern der Reduktion von NOx und der Oxidation von KW und CO bei moderaten Temperaturen (z. B. etwa 300 bis 500 °C) aufweisen, wenn der Motor bei Stöchiometrie läuft, das heißt, wenn das Luft-KraftstoffVerhältnis (air-fuel ratio - AFR) das ideale Verhältnis von Luft zu Kraftstoff ist, welches den gesamten Kraftstoff ohne überschüssige Luft verbrennt. Bei Benzinmotoren beträgt das stöchiometrische AFR 14,7:1, was 14,7 Teile Luft zu einem Teil Kraftstoff bedeutet. Das stöchiometrische AFR hängt vom Typ des Kraftstoffs ab. Zum Beispiel beträgt das stöchiometrische AFR 6,4:1 für Alkohol und für Diesel beträgt das stöchiometrische AFR 14,5:1. Im Allgemeinen schwankt ein Motor, der bei stöchiometrischem AFR betrieben wird, zwischen einem leicht fetten Zustand und einem leicht mageren Zustand bei Frequenzen von etwa 0,5 bis 3,0 Hz und mit Magnituden von etwa +/- 0,07 lambda, +/- 0,05 lambda, +/-0,03 lambda oder +/- 0,01 lambda, in Abhängigkeit vom Motor und dem Steuersystem. Das zeitlich gemittelte AFR, welches die Schwankungen berücksichtigt, befindet sich jedoch sehr nahe am stöchiometrischen AFR. Somit bezieht sich der Begriff „stöchiometrisches AFR“ im hier verwendeten Sinne auf das zeitlich gemittelte AFR, das sich in der Nähe der Stöchiometrie befindet. Gleichermaßen bezieht sich der Begriff „Stöchiometrie“ im hier verwendeten Sinne auf die wahren stöchiometrischen Zustände, wenn das AFR ideal ist, sowie auf leicht magere und leichte fette Zustände, die während der Schwankungen erreicht werden. Alle Messungen, auf welche sich in dieser Schrift bezogen wird und die der Beschreibung nach bei einem Sauerstoffniveau von 0,69 % durchgeführt wurden, beziehen sich auf Lambda = 0,998 und beziehen sich auf Lambda = 1,000 bei einem Sauerstoffniveau von 0,74 %. Lambda = 1,00 bezieht sich auf den stöchiometrischen Zustand. Lambda = 0,998 bezieht sich auf den leicht mageren Zustand.
  • Der Katalysator kann gegenüber mageren, stöchiometrischen und fetten Zuständen bei Temperaturen in einer Höhe von 1000 °C während Motorbetrieben mit hoher Last ausgesetzt sein. Unter derartigen Zuständen können die Edelmetalle und/oder die Washcoat-Komponenten sintern, derart, dass der Katalysator im Laufe der Zeit weniger aktiv wird. Als ein Ergebnis wird die katalytische Umwandlung im Laufe der Zeit immer weniger effektiv. Somit besteht ein Bedarf für einen Katalysator, der robust genug wäre, um eine Vielzahl von Zuständen, einschließlich fett, mager und Stöchiometrie, bei hohen Temperaturen von bis zu 1000 °C zu überstehen und der noch immer in der Lage wäre, hohe Anteile (etwa 90 % oder mehr) von KW, CO, NOx während des Fahrzeugbetriebs, einschließlich Kaltstart, fetter, magerer und stöchiometrischer Zustände, bei moderaten (etwa 300-500 °C) und niedrigen (unter etwa 300 °C) Temperaturen umzuwandeln. Der Katalysator ist somit zur Umwandlung von KW, CO und NOx bei Stöchiometrie und Zuständen in der Nähe von Stöchiometrie in der Lage, nachdem er den mageren und fetten Betrieb bei hohen Temperaturen (über etwa 500 °C) überstanden hat.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen wird ein Katalysator 10 offenbart, der einen oder mehrere der vorstehend genannten Nachteile überwindet. Das Katalysatormaterial ist ein katalytischer Konverterkatalysator für ein Kraftfahrzeug. Das Katalysatormaterial kann einen oder mehrere Partikel beinhalten. Die TEM-Bilder des Katalysators 10 werden in 1A gezeigt, welche eine Ansicht des gesamten Katalysatorpartikels 10 sowie individueller Materialschichten des Partikels 10, wie nachstehend erörtert, vor der Alterung und nach der Alterung des Katalysators 10 erfasst. Wie in den 1A-1D gesehen werden kann, beinhaltet der Partikel des Katalysators 10 ein erstes Metalloxid 12. Das erste Metalloxid 12 kann ein Zentrum eines Katalysatorpartikels 10 bilden. Das Wort „Zentrum“ im hier verwendeten Sinne bezieht sich auf ein Trägermaterial, Partikelmaterial, eine innere Schicht oder ein Material einer beliebigen Gestalt, Form oder Konfiguration. Das erste Metalloxid 12 kann als ein Trägeroxid dienen. Das erste Metalloxid 12 kann Übergangsaluminiumoxid, - siliciumoxid, -titanoxid, -zirkonoxid, -lanthanoxid, -bariumoxid oder eine Kombination davon beinhalten. Das erste Metalloxid 12 kann mit etwa 1 bis 15 Gew.-%, 2 bis 13 Gew.-% oder 5 bis 10 Gew.-% Silicium, Lanthan, Barium oder einer Kombination davon weiter modifiziert werden. Sofern nichts Gegenteiliges spezifiziert wird, ist ein Gewichtsprozent, dass in dieser Offenbarung ausgedrückt wird, ein auf das Gesamtgewicht des Katalysators bezogenes Gewichtsprozent. Das erste Metalloxid 12 kann Übergangsaluminiumoxid mit einem anfänglichen Oberflächenbereich über etwa 200 m2/g sein, das in der Lage ist, einen hohen Oberflächenbereich von mindestens bis zu etwa 100 bis 150 m2/g in der Gegenwart von Kraftfahrzeugabgas bei Temperaturen von bis zu etwa 1000 °C zu halten.
  • Das erste Metalloxid 12 wird mit einem zweiten Metalloxid 14 überlagert. Das zweite Metalloxid 14 kann eine Einzelschicht bilden. Die Einzelschicht kann kontinuierlich sein, derart, dass das zweite Metalloxid 14 den gesamten Oberflächenbereich des ersten Metalloxids 12 bedeckt und eine gleichmäßige Beschichtung um den gesamten Oberflächenbereich des ersten Metalloxids 12 bildet, wie in 1B gezeigt. Alternativ, wie in 1C gezeigt, kann die Einzelschicht diskontinuierlich sein, derart, dass das zweite Metalloxid 14 eine oder mehrere Inseln auf Abschnitten der Fläche des ersten Metalloxids 12 bildet. In einer derartigen Ausführungsform ist der Oberflächenbereich des ersten Metalloxids 12 unvollständig durch die Einzelschicht 14 bedeckt und mindestens ein Abschnitt des ersten Metalloxids 12 bleibt freigelegt. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann mehr als eine Einzelschicht 14 des zweiten Metalloxids 14 vorhanden sein. Somit kann das erste Metalloxid 12 einen oder mehrere Abschnitte mit einer Einzelschicht zusätzlich zu mindestens einem anderen Abschnitt aufweisen, der (eine) zusätzliche Schicht(en) des zweiten Metalloxids 14 aufweist. Die Oberschicht des zweiten Metalloxids 14 kann somit variierende Dimensionen, wie zum Beispiel Dicke, aufweisen. Das zweite Metalloxid 14 kann ein Promotoroxid sein, derart, dass das Trägermetalloxid 12 mit einer Einzelschicht des Promotoroxids 14 beschichtet ist. Die variierenden Dimensionen können anfänglich oder als ein Ergebnis der Katalysatoralterung vorhanden sein. Das zweite Metalloxid 14 kann Titanoxid, Zirkonoxid, Hafniumoxid, Nioboxid, Tantaloxid, Ceroxid, Manganoxid, Cobaltoxid, Eisenoxid oder eine Kombination davon beinhalten.
  • Die Platzierung des zweiten Metalloxids 14 sowie das Molverhältnis des Metalls im zweiten Oxid zum Metall im ersten Oxid tragen zu den gewünschten Eigenschaften des Katalysators 10 beitragen. Das Molverhältnis ist ausgewählt, um eine gewünschte Einzelschichtabdeckung des zweiten Metalloxids 14 zu produzieren, wie vorstehend erörtert wurde. Das Molverhältnis von Metall des zweiten Metalloxids 14 zum Metall im ersten Oxid 12 kann zwischen etwa 0,01 und 0,2, 0,05 bis 0,15, 0,08 bis 0,12 oder 0,1 bis 0,3 betragen. Es ist unwahrscheinlich, dass ein Molverhältnis unter 0,01 einen beliebigen Vorteil für die Anspringtemperatur bereitstellt. Es ist unwahrscheinlich, dass Verhältnisse über 0,2 eine effektive Grenzfläche 18 zwischen dem ersten Metalloxid 12 und der Einzelschicht 14 bereitstellen und können unerwünschtes Sintern des zweiten Metalloxids 14 fördern. Das Ausmaß, in welchem das zweite Metalloxid 14 das erste Metalloxidträgeroxid 12 kontinuierlich bedeckt, hängt teilweise vom Molverhältnis eines Metallkomplexes ab, der zum Bilden des zweiten Metalloxids 14 auf dem ersten Metalloxidträger 12 verwendet wird.
  • Der Katalysator 10 beinhaltet ferner ein katalytisch aktives Metall 16. Das aktive Metall 16 kann auf der Einzelschicht des zweiten Metalloxids 14 abgelagert sein, wie in 1B gezeigt. Alternativ oder zusätzlich kann das aktive Metall 16 auf der Grenzfläche 18 zwischen dem ersten Metalloxid 12 und dem zweiten Metalloxid 14, wie in 1D gezeigt, abgelagert sein. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann der Katalysator 10 einen oder mehrere Partikel enthalten, die nur das erste Metalloxid 12 beinhalten und welchen eine Oberschicht 14, das aktive Metall 16 oder beides fehlt.
  • Das katalytisch aktive Metall 16 kann Rhodium, Palladium, Platin, Iridium, Ruthenium, Nickel, Kupfer, Silber, Gold oder eine Kombination davon sein. Ein oder mehrere Typen des katalytisch aktiven Metalls 16 können auf der Grenzfläche 18 und auf dem zweiten Metalloxid 14 verwendet werden. Dasselbe oder ein anderes katalytisch aktives Metall 16 kann auf der Grenzfläche 18 und dem zweiten Metalloxid 14 verwendet werden.
  • Die Ladung des katalytisch aktiven Metalls 16 kann etwa 0,1 bis 5 Gew.-%, 0,5 bis 2 Gew.-% oder 1 bis 1,5 Gew.-% betragen. Jedes aktive Metall kann eine andere optimale Ladung aufweisen. Zum Beispiel kann die optimale Ladung von Rhodium von etwa 0,2 bis 0,8 Gew.-%, 0,3 bis 0,7 Gew.-% oder 0,5 bis 0,6 Gew.-% betragen. Die optimale Ladung von Palladium kann etwa 1,5 bis 2,5 Gew.-%, 1,8 bis 2,3 Gew.-% oder 2 bis 2,1 Gew.-% betragen. 2 veranschaulicht die Leistung des Katalysators mit entweder 2 Gew.-% oder 4 Gew.-% Palladium-Ladung auf 8 Gew.-% Titan (12 Gew.-% TiO2), welches ein erstes Al2O3-Trägeroxid überlagert, nachdem der Katalysator im mageren Alterungstest, auf welchen sich unten bezogen wird, gealtert wurde und bei Stöchiometrie (Lambda = 1,00, O2 bei 0,74 % für die Testbedingungen) gemessen wurde. „T90 (°C)“ bezieht sich in den Figuren über dien die gesamte Offenbarung hinweg auf eine Temperatur, bei welcher 90 % Umwandlung einer Art erreicht wurde. Die Daten in 2 werden in Tabelle 9, Beispiele 9 und 15, erfasst.
  • Die 3 und 4 veranschaulichen die Leistung des Katalysators mit verschiedenen Rhodium-Ladungen auf 17 Gew.-% ZrO2 bzw. 12 Gew.-% TiO2 als zweites Oxid, welches ein erstes Al2O3-Trägeroxid überlagert, nachdem der Katalysator im Alterungstest mit vier Modi, auf welchen sich unten bezogen wird, gealtert wurde und bei Stöchiometrie (Lambda = 1,00, O2 bei 0,74 % für die Testbedingungen) gemessen wurde. Die Daten in den 3 und 4 werden in Tabelle 14, Beispiele 20-25, erfasst.
  • Wie vorstehend erwähnt wurde, erhält Übergangsaluminiumoxid auch in der Gegenwart von Kraftfahrzeugabgas bei Temperaturen bis zu 1000 °C einen relativ hohen Oberflächenbereich. Der erhaltene hohe Oberflächenbereich ermöglicht die hohe Dispersion von katalytisch aktivem Metall 16, wodurch die Ladung des katalytisch aktiven Metalls 16 reduziert wird, die zum Erreichen des erforderlichen Grads der katalytischen Aktivität benötigt wird. Jedoch fördert Aluminiumoxid oder ein anderes erstes Metalloxid 12 die Aktivität des Edelmetalls nicht über das Liefern eines großen Oberflächenbereichs, auf welchem sich das katalytisch aktive Metall verteilen kann, hinaus. Somit stellt das Verwenden eines ersten Metalloxids 12 keine optimale Lösung bereit.
  • Eine Reihe von Übergangsmetalloxiden, einschließlich unter anderem Titan-, Zirkon-, Cobalt-, Manganoxide oder ein beliebiges anderes vorstehend genanntes zweites Metalloxid 14, fördert die Aktivität des katalytisch aktiven Materials 16, wodurch die Aktivität des katalytisch aktiven Metalls 16 bei niedrigen Temperaturen verbessert wird, die Ladung des Metalls 16 reduziert wird, die zum Erreichen des erforderlichen Grads der katalytischen Aktivität benötigt wird, oder beides. Die zweiten Metalloxide 14 sind in der Gegenwart des Kraftfahrzeugabgases bei Temperaturen bis zu 1000 °C jedoch nicht robust und erfahren dramatische Verluste des Oberflächenbereichs, die deren Fähigkeit, das katalytisch aktive Metall 16 zu verteilen, einschränken. Das Fehlen der Robustheit hat die Anwendung von Übergangsmetalloxiden, die in der Lage sind, die Aktivität katalytisch aktiver Metalle zu fördern, in der Katalyse von Kraftfahrzeugemissionen in der Vergangenheit eingeschränkt.
  • Im Gegensatz dazu kombiniert die vorliegende Offenbarung die Stabilität/Robustheit und den hohen Oberflächenbereich eines ersten Metalloxidträgers 12 mit der Fähigkeit des zweiten Metalloxids 14, die katalytische Aktivität des katalytisch aktiven Metalls 16 zu fördern, um einen Katalysator 10 zu produzieren, der unter Kraftfahrzeugabgasbedingungen bei Temperaturen bis zu etwa 1000 °C robust ist, während ebenfalls die Aktivität des katalytisch aktiven Metalls 16 gefördert wird. Der Katalysator 10 ermöglicht somit die Steuerung der Kraftfahrzeugabgase in einem größeren Temperaturbereich und bei niedrigeren Temperaturen als Katalysatoren, die gemäß herkömmlichen Prozeduren hergestellt wurden, oder Katalysatoren, die nur eins von Aluminiumoxid oder einem Übergangsmetalloxid, aber nicht beides, beinhalten. Alternativ erreicht der Katalysator unter Verwendung einer niedrigeren Gesamtladung des katalytisch aktiven Metalls 16 eine äquivalente Aktivität bei einer bestimmten Temperatur, wodurch die Kosten für einen katalytischen Konverter reduziert werden, in welchem der Katalysator verwendet wird.
  • Der Katalysator kann als ein Katalysator in einem beliebigen katalytischen Kraftfahrzeugkonverter enthalten sein, wie zum Beispiel ein katalytischer Dreiwegekonverter, der in der Lage ist, KW, CO und NOx zu reduzieren. Ein nicht einschränkender beispielhafter katalytischer Konverter 20 wird in 5 schematisch dargestellt. Wie 5 zeigt, wird ein katalytischer Konverter 20 offenbart, der in der Lage ist, KW, CO und NOx umzuwandeln. Der katalytische Konverter 20 kann eine optionale Falle 22 beinhalten, die stromaufwärts und/oder stromabwärts des Dreiwegekatalysators (three-way catalyst- TWC) 24 angeordnet ist, welcher den Katalysator 10 enthält. Alternativ kann der Katalysator 10 zusätzlich zum TWC auf die Falle 22 oder nur auf die Falle 22 aufgetragen werden. Der katalytische Konverter 20 und die Dimensionen und die Ausrichtung der dargestellten Schichten 22, 24 sind lediglich schematisch, um die Hauptrichtung des Abgasstroms zu veranschaulichen. Der katalytische Konverter 20 kann als Durchflusskanäle oder eine Wandflusskonfiguration aufweisend konfiguriert sein. Wenn der Katalysator 10 als Washcoat auf die Falle 22 aufgebracht wird, kann die Wandflusskonfiguration verwendet werden, um Ruß zu fangen, das ebenfalls durch den Motor erzeugt wurde, und der Katalysator 10 kann bei der Rußoxidation bei einem Kaltstart und während anderer Motorbetriebsbedingungen zusätzlich zum Steuern von KW, CO und NOx helfen.
  • Der TWC kann einen Monolithträger beinhalten, der aus Keramik oder Metall hergestellt ist. Der Katalysator 10 kann durch eine Vielzahl von Verfahren auf den TWC aufgetragen werden. Zum Beispiel kann der Monolithträger mit dem Katalysator 10 beschichtet werden.
  • Der Katalysator 10 kann durch eine Vielzahl von Verfahren produziert werden. Die hier genannten Verfahren sind lediglich beispielhafte Produktionsverfahren. Andere Verfahren werden in Betracht gezogen. Ein beispielhaftes Verfahren zum Bilden eines katalytischen Konverterkatalysators 10 wird offenbart. Das Verfahren beinhaltet Anordnen eines ersten Metalloxids 12 und eines zweiten Metalloxids 14, um Partikel zu bilden, die mit einer Einzelschicht des zweiten Metalloxids 14 bedeckt sind, indem die ersten Metalloxidpartikel 12 mit einem löslichen Komplex eines oder mehrerer chemischer Elemente, wie zum Beispiel Metallen, des zweiten Metalloxids 14 in einem Molverhältnis von Metall im zweiten Metalloxid zum Metall im ersten Metalloxid von etwa 0,01 bis 0,2, 0,05 bis 0,15, 0,08 bis 0,12 oder 0,1 bis 0,3 in Kontakt gebracht werden. Das Verfahren beinhaltet ferner Ablagern eines katalytisch aktiven Metalls 16 auf der Einzelschicht 14 oder auf der Grenzfläche 18 in einer vorstehend erörterten Ladung.
  • Der lösliche Komplex kann eine oder mehrere Alkoxidgruppen beinhalten. Die Gegenwart von mindestens einem und vorzugsweise mindestens zwei Alkoxidgruppen ist wünschenswert, um die gewünschte gesteuerte Pfropfreaktion zwischen dem Metallkomplex und dem ersten Metalloxidträger bereitzustellen. Das Metallalkoxid kann die folgende Formel aufweisen Mx(OR)v , (I) wobei M für Ti, Zr, Hf, Ni oder Ta steht,
    • R für eine lineare oder verzweigte Alkylgruppe mit einer Formel CnH2n+1 steht, wobei n 1 bis 6 ist,
    • x 1 oder 2 ist, und
    • v 4, 5, 8 oder 10 ist;
    oder eine Formel MO(OR)3 , (II) wobei M für Ni oder Ta steht, und
    • R für eine lineare oder verzweigte Alkylgruppe mit einer Formel CnH2n+1 steht, wobei n 1 bis 6 ist.
  • Alternativ kann der Metallkomplex einen oder mehrere zusätzliche Liganden neben Alkoxiden enthalten, zum Beispiel Titandiisopropoxidbis(acetylacetonat). Als weitere Alternative kann ein Komplexbildner zu dem Metallalkoxidvorläuferstoff hinzugegeben werden, um dessen Reaktion mit dem ersten Metalloxid zu steuern. Derartige Komplexbildner beinhalten unter anderem Acetylaceton, Methylacetoacetat, 4-Methyl-4-hydroxy-2-pentanon, Ethylenglycol, Propylenglycol, 1,4-Butandiol, Ethanolamin, Essigsäure, Bernsteinsäure und dergleichen oder eine Kombination davon.
  • Der Metallkomplex kann in einem organischen Lösungsmittel gelöst werden und mit dem ersten Metalloxid verrührt werden. Die Lösung kann zusätzlich erhitzt werden, um bei der Auflösung des Metallkomplexes zu unterstützen, um bei der Reaktion zwischen dem Metallkomplex und dem ersten Metalloxid oder beidem zu unterstützen. Das organische Lösungsmittel kann dann durch Filtrierung oder Verdampfung entfernt werden. Wenn der Metallkomplex eine Flüssigkeit mit geeignet geringer Viskosität und Oberflächenspannung ist, kann der Metallkomplex alternativ direkt mit dem ersten Metalloxid kontaktiert werden, ohne ein Lösungsmittel hinzuzugeben. Die Kontaktreaktion setzt Alkohol frei, welcher durch Filtrierung oder Verdampfung entfernt werden kann. Nach dem Entfernen des Lösungsmittels kann das beschichtete erste Metalloxid bei einer Temperatur zwischen ungefähr 200 und 800 °C, 300 und 700 °C oder 400 und 600 °C kalziniert werden.
  • Alternativ kann der Metallkomplex durch chemische Gasphasenabscheidung oder physikalische Gasphasenabscheidung abgelagert werden. Das katalytisch aktive Metall kann auf dem resultierenden ersten Metalloxid, das die zweite Metalloxid-Oberschicht aufweist, durch eine Vielzahl von Verfahren abgelagert werden. Zum Beispiel kann das katalytisch aktive Metall durch chemische Gasphasenabscheidung, physikalische Gasphasenabscheidung, Nassimprägnierung, Trockenimprägnierung, Nachimprägnierung, als eine katalysierte Aufschlämmung durch starke elektrostatische Adsorption oder durch ein anderes geeignetes Verfahren abgelagert werden.
  • Der resultierende Katalysator kann in der Form eines Trockenpulvers, einer Aufschlämmung oder einer Beschichtung sein. Zum Beispiel kann das Trockenpulver aufgeschlämmt oder als Washcoat auf einen monolithischen Träger des TWC aufgebracht werden, wie vorstehend erörtert wurde.
  • Sobald er in einen TWC integriert wurde, ist der Katalysator in der Lage, verschiedene KW-Arten, CO und NOx, die in einem Abgas eines Verbrennungsmotors enthalten sind, während des Kaltstarts, bei stöchiometrischen, mageren sowie fetten Bedingungen umzuwandeln. Zum Beispiel kann der Katalysator in der Lage sein, Konzentrationen von KW, CO und NOx eines Abgases während des Kaltstarts, bei mageren, fetten und stöchiometrischen Bedingungen zu reduzieren, während deren Struktur, Robustheit und Aktivität beibehalten werden. Am wichtigsten ist, dass der Katalysator in der Lage ist, Konzentrationen von KW, CO und NOx zu reduzieren, nachdem verschiedene Betriebsbedingungen (Stöchiometrie, mager, fett), einschließlich Temperaturen von bis zu 1000 °C überstanden wurden. Der Katalysator ist außerdem in der Lage, Konzentrationen von KW, CO und NOx bei einer Anspringtemperatur zu reduzieren, die ungefähr 55 bis 180 °C geringer ist als die Anspringtemperaturen von typischen TWC, wie in 6 veranschaulicht. 6 zeigt den Vergleich der Leistung des vorliegend offenbarten Katalysators 10 und eines typischen Katalysators nach dem Stand der Technik, auf den nachfolgend Bezug genommen wird. Der Katalysator nach dem Stand der Technik enthält Palladium auf Partikeln von Ceroxid-Zirkonoxid und Aluminiumoxid, wobei jedoch nicht das erste Metalloxid 12 mit dem zweiten Metalloxid 14 überlagert ist und das katalytisch aktive Metall 16 auf der Oberschicht 14, auf der Verbindungsstelle 18 oder beidem aufweist. Der Katalysator 10 beinhaltete 70 % weniger Edelmetall als der Katalysator nach dem Stand der Technik. Der Katalysator wurde im Alterungstest mit vier Modi gealtert, auf den nachfolgend Bezug genommen wird.
  • Der Katalysator ist in der Lage, Emissionen von Kraftfahrzeugabgas umzuwandeln, einschließlich unter anderem Ethylen (C2H4), Propylen (C3H6), Ethan (C2H6), Butylen (C4H8), Mesitylen (C9H12), Toluol (C6H5-CH3), Isooctan (C8H18), Cyclopentan (C5H10), Isohexan (C6H14), Pentylen (C5H10), Dimethylbutan (CH3)3CCH2CH3, Benzol (C6H6), Durol (C10H14), Propan (C3H8), Methan (CH4), Stickstoffoxid (NO), Stickstoffdioxid (NO2), dergleichen oder einer Kombination davon.
  • Zum Beispiel ist der Katalysator zum Umwandeln von mindestens 90 % CO bei einer Temperatur zwischen etwa 150 °C und 250 °C, NO bei einer Temperatur zwischen etwa 200 °C und 270 °C, C2H4 bei einer Temperatur zwischen etwa 200 °C und 270 °C, C3H6 bei einer Temperatur zwischen etwa 200 °C und 270 °C, C3H8 bei einer Temperatur zwischen 230 °C und 350 °C, gemessen bei Stöchiometrie, in der Lage.
  • BEISPIELE
  • Beispiel 1
  • Ein Beispiel-Katalysator (1) wurde auf folgende Weise hergestellt: ein herkömmliches Aluminiumoxid wurde mit einer Ethanollösung von Titan-tetrakis(n-butoxid) umgesetzt (Molverhältnis Ti:Al von 1:12), gefolgt von der Verdampfung von Ethanol unter Erhitzen und anschließender thermischer Zersetzung der Titan-Vorstufe in einem Ofen bei 550 °C. Das resultierende Material wurde mit einer wässrigen Lösung von Tetraamminpalladium(II)-nitrat, die ausreichend ist, um eine endgültige Palladium-Ladung von 2 Gew.-% zu erhalten, imprägniert und erneut bei 550 °C gebrannt.
  • Ein Vergleichsbeispiel-Katalysator (A1) wurde durch Imprägnierung eines herkömmlichen Aluminiumoxids mit einer wässrigen Lösung von Tetraamminpalladium(II)-nitrat, die ausreichend ist, um eine endgültige Palladium-Ladung von 2 Gew.-% zu erhalten, hergestellt und erneut bei 550 °C gebrannt.
  • Ein Vergleichsbeispiel-Katalysator (A2) wurde durch Kombinieren von Titan-tetrakis(n-butoxid) und Wasser hergestellt, um einen Titanoxid-Träger gemäß den Vorgängen für die Sol-Gel-Synthese zu präzipitieren. Das resultierende Präzipitat wurde in einem Ofen bei 550 °C gebrannt. Das gebrannte Oxid wurde dann mit einer wässrigen Lösung von Tetraamminpalladium(II)-nitrat, die ausreichend ist, um eine endgültige Palladium-Ladung von 2 Gew.-% zu erhalten, imprägniert und bei 550 °C gebrannt.
  • Ein Vergleichsbeispiel-Katalysator (A3) wurde durch Kombinieren von Titan-tetrakis(n-butoxid), Tetraamminpalladium(II)-nitrat und Wasser hergestellt, um einen Palladium-enthaltenden Titanoxid-Träger gemäß den Vorgängen für die Sol-Gel-Synthese, die dem Fachmann bekannt sind, zu kopräzipitieren. Das resultierende Präzipitat wurde in einem Ofen bei 550 °C gebrannt. Die Ladung von Palladium betrug 2 Gew.-%.
  • Der Beispiel-Katalysator 1 und die Vergleichsbeispiel-Katalysatoren A1-A3 wurde in einem Ofen positioniert und in der Gegenwart von 10 % Wasserdampf für 50 Stunden auf 950 °C erhitzt (mageres Altern). Dieser Test wird hierin als der magere Alterungstest bezeichnet.
  • Nach dem Altern wurde die katalytische Leistung des Beispiel-Katalysators 1 und jedes Vergleichsbeispiel-Katalysators A1-A3 mithilfe eines Durchflussmikroreaktors bewertet. In separaten und reproduzierbaren Tests wurde 1,0 g jedes Katalysators (Pulver) und des Vergleichsbeispiel-Katalysators (Pulver) in einen Quarzrohr-Mikroreaktor geladen und einem Gasgemisch ausgesetzt. Das Gasgemisch enthielt 10 % CO2, 10 % H2O, 6900 ppm O2, 5000 ppm CO, 1700 ppm H2, 1000 ppm NO, 525 ppm C2H4, 500 ppm C3H6, 150 ppm C3H8, für den Rest N2 bei einer Gesamtdurchflussrate von 3,6 l/min. Das Gemisch stellte ein geeignetes Modell des Abgases von einem Benzinmotor, der unter einer leichten fetten Vorspannung arbeitete, mit einer Raumgeschwindigkeit bereit, die der entsprach, die von einem monolithischen Katalysator, der bei 30.000 Umkehrstunden arbeitete, erfahren wurde. Die Temperatur des Reaktors wurde bei 5 °C/min von 100 °C auf 600 °C erhöht und die Temperatur, bei der die Umwandlung jedes Reaktionsgases (CO, NO, C2H4, C3H6, C3H8) 90 % erreicht hat, wurde durch Infrarot-Spektroskopie-Überwachung des Reaktorabflusses aufgezeichnet.
  • Tabelle 1 unten veranschaulicht Temperaturen, bei denen jedes Reagenz 90 % Umwandlung in Bezug auf den Beispiel-Katalysator 1 und die Vergleichsbeispiel-Katalysatoren A1-A3 erreicht hat. Wie Tabelle 1 veranschaulicht, wurde der Beispiel-Katalysator 1 gemäß dieser Offenbarung hergestellt und beinhaltete ein erstes Metalloxid (Aluminium-Träger), eine zweite Metalloxid-Oberschicht (Titanoxid), wobei das katalytisch aktive Metall (Palladium-Ladung von 2 Gew.-%) eine Umwandlung von 90 % jedes Reaktionsgases bei geringeren Temperaturen als denen, die für eine Umwandlung von 90 % über einem Aluminium-Katalysator, dem eine Titanoxid-Oberschicht fehlt (Vergleichsbeispiel A1), oder über Titan-Washcoats, denen ein Aluminium-Träger fehlt (Vergleichsbeispiele A2, A3), erforderlich sind, erreicht hat. Tabelle 1 - Leistung des Beispiel-Katalysators 1 und der Vergleichsbeispiel-Katalysatoren A1-A3
    Beispiel/Vergleichsbeispiel Beispiel Vergleichsbeispiele
    Reaktionsmittel ↓ Katalysator → 1 A1 A2 A3
    CO 222 245 * 336
    NO 223 281 * 356
    C3H6 228 258 493 367
    C2H4 233 273 530 397
    C3H8 271 325 * 555
    * Erreichte nicht die Umwandlung von 90 % unter 600 °C.
  • Beispiel 2
  • Ein Katalysator (2) wurde auf folgende Weise hergestellt: ein herkömmliches Aluminiumoxid wurde mit einer Ethanollösung von Zirkonium-tetrakis(n-butoxid) umgesetzt (80 % Lösung in n-Butanol) (Molverhältnis Zr:Al von 1:12), gefolgt von der Verdampfung von Ethanol unter Erhitzen und anschließender thermischer Zersetzung der Zirkonium-Vorstufe in einem Ofen bei 550 °C. Das resultierende Material wurde mit einer wässrigen Lösung von Tetraamminpalladium(II)-nitrat, die ausreichend ist, um eine endgültige Palladium-Ladung von 2 Gew.-% zu erhalten, imprägniert und erneut bei 550 °C gebrannt.
  • Ein Vergleichsbeispiel-Katalysator (B1) wurde durch Imprägnierung eines herkömmlichen Aluminiumoxids mit einer wässrigen Lösung von Tetraamminpalladium(II)-nitrat, die ausreichend ist, um eine endgültige Palladium-Ladung von 2 Gew.-% zu erhalten, hergestellt und bei 550 °C gebrannt.
  • Ein Vergleichsbeispiel-Katalysator (B2) wurde durch Kombinieren von Zirkonium-tetrakis(n-butoxid) (80 % in n-Butanol) und Wasser hergestellt, um einen Zirkonoxid-Träger gemäß den Vorgängen für die Sol-Gel-Synthese, die dem Fachmann bekannt sind, zu präzipitieren. Das resultierende Präzipitat wurde in einem Ofen bei 550 °C gebrannt. Das gebrannte Oxid wurde dann mit einer wässrigen Lösung von Tetraamminpalladium(II)-nitrat, die ausreichend ist, um eine endgültige Palladium-Ladung von 2 Gew.-% zu erhalten, imprägniert und bei 550 °C gebrannt.
  • Ein Vergleichsbeispiel-Katalysator (B3) wurde durch Kombinieren von Zirkonium-tetrakis(n-butoxid) (80 % in n-Butanol), Tetraamminpalladium(II)-nitrat und Wasser hergestellt, um einen Palladium-enthaltenden Zirkonoxid-Träger gemäß den Vorgängen für die Sol-Gel-Synthese, die dem Fachmann bekannt sind, zu kopräzipitieren. Das resultierende Präzipitat wurde in einem Ofen bei 550 °C gebrannt. Die Ladung von Palladium betrug 2 Gew.-%.
  • Der Beispiel-Katalysator 2 und die Vergleichsbeispiel-Katalysatoren B1-B3 wurde in einem Ofen positioniert und in der Gegenwart von 10 % Wasserdampf für 50 h auf 950 °C erhitzt (mageres Altern). Nach dem Altern wurde die katalytische Leistung jedes Katalysators mithilfe eines Durchflussmikroreaktors auf die gleiche Weise, wie vorstehend bezüglich Beispiel 1 beschrieben, bewertet.
  • Tabelle 2 unten veranschaulicht Temperaturen, bei denen jedes Reagenz 90 % Umwandlung in Bezug auf den Beispiel-Katalysator 2 und die Vergleichsbeispiel-Katalysatoren B1-B3 erreicht hat. Wie Tabelle 2 veranschaulicht, wurde der Beispiel-Katalysator 2 gemäß dieser Offenbarung hergestellt und beinhaltete ein erstes Metalloxid (Aluminium-Träger), eine zweite Metalloxid-Oberschicht (Zirkonoxid), wobei das katalytisch aktive Metall (Palladium-Ladung von 2 Gew.-%) eine Umwandlung von 90 % jedes Reaktionsgases bei geringeren Temperaturen als denen, die für eine Umwandlung von 90 % über einem Aluminium-Katalysator, dem eine Zirkonoxid-Oberschicht fehlt (Vergleichsbeispiel B1), oder über Zirkonium-Washcoats, denen ein Aluminium-Träger fehlt (Vergleichsbeispiele B2, B3), erforderlich sind, erreicht hat. Tabelle 2 - Leistung des Beispiel-Katalysators 2 und der Vergleichsbeispiel-Katalysatoren B1-B3
    Beispiel/Vergleichsbeispiel Beispiel Vergleichsbeispiele
    Reaktionsmittel ↓ Katalysator → 2 B1 B2 B3
    CO 242 245 402 417
    NO 270 281 379 351
    C3H6 251 258 332 325
    C2H4 266 273 368 351
    C3H8 319 325 444 439
  • Beispiel 3
  • Ein Katalysator (3) wurde auf folgende Weise hergestellt: ein herkömmliches Aluminiumoxid wurde mit einer Ethanollösung von Titan-tetrakis(n-butoxid) umgesetzt (Molverhältnis Ti:Al von 1:12), gefolgt von der Verdampfung von Ethanol unter Erhitzen und anschließender thermischer Zersetzung der Titan-Vorstufe in einem Ofen bei 600 °C. Das resultierende Material wurde mit einer wässrigen Lösung von Rhodium(III)-nitrat, die ausreichend ist, um eine endgültige Rhodium-Ladung von 0,5 Gew.-% zu erhalten, imprägniert und erneut bei 600 °C gebrannt.
  • Ein Vergleichsbeispiel-Katalysator (C1) wurde durch Imprägnierung eines herkömmlichen Aluminiumoxids mit einer wässrigen Lösung von Rhodium(III)-nitrat, die ausreichend ist, um eine endgültige Rhodium-Ladung von 0,5 Gew.-% zu erhalten, hergestellt und bei 600 °C gebrannt.
  • Eine beschleunigte Alterungsbehandlung wurde dann auf den Beispiel-Katalysator 3 und den Vergleichsbeispiel-Katalysator C1 angewandt, einschließlich einer 50-stündigen Exposition gegenüber dem Verbrennungsabgas eines Impulsflammenverbrennungsreaktors, der unter einer Luft-Kraftstoff-Steuerung mit geschlossenem Kreislauf arbeitet und in dem die Verbrennung von Isooctan-Kraftstoff in Luft in wiederholten Zyklen durchgeführt wurde, die aus 40 Sekunden eines stöchiometrischen Betriebs, der unter einer Luft-Kraftstoff-Steuerung mit geschlossenem Kreislauf arbeitet, 6 Sekunden eines fetten Betriebs (3 % überschüssiges CO), 10 Sekunden eines exothermen Betriebs (fette Verbrennung mit 3 % überschüssigem CO im Impulsflammenreaktor, kombiniert mit 3 % überschüssigem O2 über dem Katalysatorbett, reiner magerer Gesamtbetrag), und 4 Sekunden des mageren Betriebs (stöchiometrischer Betrieb im Impulsflammenreaktor, kombiniert mit 3 % überschüssigem O2 über dem Katalysatorbett) bestehen. Die Temperatur im Katalysatorbett variierte während jedes Zyklus von 850 °C bis 960 °C. Dieser Alterungsplan wird von der Environmental Protection Agency (EPA) zur Simulation der Auswirkungen einer großen zurückgelegten Fahrstrecke auf die Leistung von Kraftfahrzeugkatalysatoren akzeptiert. Der Test wird von der EPA in 40 CFR Teil 86, veröffentlicht am 2. April 2004, die hiermit unter Bezugnahme vollumfänglich aufgenommen ist, als der „Strawman Durability Procedure“ („Dummy-Haltbarkeitsvorgang“) bezeichnet. Dieser Test wird hierin ferner als der „Alterungstest mit vier Modi“ bezeichnet. 7 zeigt schematisch die Modi und Bedingungen des Alterungstests mit vier Modi. Der Prüfstandzyklus des Alterungstests mit vier Modi beinhaltet einen 60-Sekunden-Zyklus, der auf der Grundlage des A/F-Verhältnisses des Motors (der Teil des Alterungsprüfstands ist) und der Rate der sekundären Lufteinspritzung (Druckluft, die zu dem Abgasstrom vor dem ersten Katalysator hinzugefügt wird) folgendermaßen definiert wird: 01 - 40 s: 14,7 A/F, keine sekundäre Lufteinspritzung; 41 - 45 s: 13,0 A/F-Verhältnis, keine sekundäre Lufteinspritzung; 46 - 55 s: 13,0 A/F-Verhältnis, 4 %sekundäre Lufteinspritzung; und 56 - 60 s: 14,7 A/F-Verhältnis, 4 % sekundäre Lufteinspritzung.
  • Nach dem Altern wurde die katalytische Leistung des Beispiel-Katalysators 3 und des Vergleichsbeispiel-Katalysators C1 mithilfe eines Durchflussmikroreaktors auf die gleiche Weise, wie vorstehend bezüglich Beispiel 1 beschrieben, bewertet.
  • Tabelle 3 unten veranschaulicht Temperaturen, bei denen jedes Reagenz 90 % Umwandlung in Bezug auf den Beispiel-Katalysator 3 und den Vergleichsbeispiel-Katalysator C1 erreicht hat. Wie Tabelle 2 veranschaulicht, stellt der Beispiel-Katalysator 3, der gemäß dieser Offenbarung hergestellt wurde und eine Titanoxid-Oberschicht (zweites Metalloxid) über einem Aluminiumoxid-Träger (erstes Metalloxid) mit 0,5 Gew.-% Ladung des katalytisch aktiven Metalls (Rhodium) beinhaltete, eine Umwandlung von 90 % jedes Reaktionsgases bei Temperaturen unter denen, die für eine Umwandlung von 90 % über dem Vergleichsbeispiel-Katalysator C1, dem eine Titanoxid-Oberschicht fehlt, erforderlich ist, bereit. Tabelle 3 - Leistung des Beispiel-Katalysators 3 und des Vergleichsbeispiel-Katalysators C1
    Beispiel/Vergleichsbeispiel Beispiel Vergleichs beispiel
    Reaktionsmittel ↓ Katalysator → 3 C1
    CO 191 256
    NO 210 283
    C3H6 227 292
    C2H4 240 324
    C3H8 336 437
  • Beispiele 4-7
  • Zwei Sätze der Beispiele 4-7 wurden durch das gleiche Verfahren wie die Beispiel-Katalysatoren 1-3 oben hergestellt. Die Beispiel 4-7 beinhalteten verschiedene Ladungen von Rhodium, welches sich auf der zweiten Oxid-Oberschicht, die verschiedene Material beinhaltete, abgelagert hat. Die Beispiele 4-7 wurden mit einem TWC nach dem Stand der Technik (Vergleichsbeispiel D), der eine Ladung von Palladium von 1,7 % auf Partikeln, die Ceroxid-Zirkonoxid und Aluminiumoxid beinhalteten, aufwies, verglichen. Die Beispiele 4-7 und Vergleichsbeispiel D wurden im Alterungstest mit vier Modi gealtert. Nach dem Altern wurde die katalytische Leistung jedes Beispiels 4-7 und des Vergleichsbeispiels D mithilfe eines Durchflussmikroreaktors bewertet, wie oben in Beispiel 1 beschrieben, bei Lambda = 0,998 (Sauerstoffniveau von 0,69 %, leicht fette Bedingungen) (erster Satz) bzw. Lambda = 1,00 (Sauerstoffniveau von 0,74 %) (Stöchiometrie) (zweiter Satz). Tabelle 4 - Leistung der Beispiel-Katalysatoren 4-7 (erster Satz) und des Vergleichsbeispiel-Katalysators D bei Lambda = 0,998 nach dem Alterungstest mit vier Modi
    Beispiel/Vergleichsbeis piel Rh-Ladun g Erstes Metalloxi d Zweites Metalloxi d C O N O C3H 6 C2H 6 C3H 8
    4 0,5 Al2O3 - 25 4 28 4 291 326 439
    5 0,6 Al2O3 17 Gew.-% ZrO2 20 1 20 2 213 242 370
    6 0,5 Al2O3 12 Gew.-% TiO2 19 1 21 0 227 240 336
    7 0,5 Al2O3 17% Nb2O5 28 2 30 7 316 334 450
    Vergleichsbeispiel D 1,7 - - 24 3 32 3 300 344 438
    Tabelle 5 - Leistung der Beispiel-Katalysatoren 4-7 (zweiter Satz) und des Vergleichsbeispiel-Katalysators D bei Lambda = 1,00 nach dem Alterungstest mit vier Modi
    Beispiel/Vergleichsbeis piel Rh-Ladun g Erstes Metalloxi d Zweites Metalloxi d C O N O C3H 6 C2H 6 C3H 8
    4 0,5 Al2O3 - 25 6 31 8 297 346 399
    5 0,6 Al2O3 17 Gew.-% ZrO2 20 1 20 2 213 252 311
    6 0,5 Al2O3 12 Gew.-% TiO2 19 0 22 2 233 253 293
    7 0,5 Al2O3 17% Nb2O5 28 2 33 9 328 360 429
    Vergleichsbeispiel D 1,7 - - 24 4 32 7 298 332 402
  • Beispiele 8-15
  • Vier Sätze der Beispiele 8-15 wurden durch das gleiche Verfahren wie die Beispiel-Katalysatoren 1-3 hergestellt. Die Beispiele 8-15 beinhalteten verschiedene Ladungen von Palladium auf zweiten Oxid-Oberschichten, die verschiedene Material beinhalteten. Die Beispiele 8-15 wurden mit einem TWC nach dem Stand der Technik (Vergleichsbeispiel D), der eine Ladung von Palladium von 1,7 % auf Partikeln, die Ceroxid-Zirkonoxid und Aluminiumoxid beinhalteten, aufwies, verglichen. Die Beispiele 8-15 und das Vergleichsbeispiel D wurden im Alterungstest mit vier Modi (erster und zweiter Satz) oder mithilfe des mageren Alterungstests (dritter und vierter Satz) gealtert. Nach dem Altern wurde die katalytische Leistung jedes Beispiel-Katalysators 8-15 und des Vergleichsbeispiel-Katalysators D mithilfe eines Durchflussmikroreaktors bewertet, wie oben in Beispiel 1 beschrieben, bei Lambda = 0,998 (Sauerstoffniveau von 0,69 %) (erster und dritter Satz) bzw. Lambda = 1,00 (Sauerstoffniveau von 0,74 %) (zweiter und vierter Satz). Tabelle 6 - Leistung der Beispiel-Katalysatoren 8-14 und des Vergleichsbeispiel-Katalysators D bei Lambda = 0,998 nach dem Alterungstest mit vier Modi
    Beispiel/Vergleichsbeis piel Pd-Ladun g Erstes Metalloxi d Zweites Metalloxi d C O N O C3H 6 C2H 6 C3H 8
    8 2,0 Al2O3 - 26 3 34 7 327 363 472
    9 2,0 Al2O3 12 Gew.-% TiO2 25 2 31 9 305 335 434
    10 2,0 Al2O3 17 Gew.-% ZrO2 26 4 34 0 321 357 453
    11 2,0 Al2O3 22 Gew.-% CeO2 25 3 33 7 308 351 432
    12 2,0 Al2O3 13 Gew.-% MnO2 * 35 3 326 345 421
    13 2,0 Al2O3 12 Gew.-% Fe2O3 * 43 5 362 401 536
    14 2,0 Al2O3 12 Gew.-% Co3O4 * 43 1 357 396 467
    Vergleichsbeispiel D 1,7 - - 24 3 32 3 300 344 438
    * Erreichte nicht die Umwandlung von 90 % unter 600 °C.
    Tabelle 7 - Leistung der Beispiel-Katalysatoren 8-14 und des Vergleichsbeispiel-Katalysators D bei Lambda = 1,00 nach dem Alterungstest mit vier Modi
    Beispiel/Vergleichsbeis piel Pd-Ladun g Erstes Metalloxi d Zweites Metalloxi d C O N O C3H 6 C2H 6 C3H 8
    8 2,0 Al2O3 - 26 8 35 5 327 360 431
    9 2,0 Al2O3 12 Gew.-% TiO2 25 1 32 2 303 329 396
    10 2,0 Al2O3 17 Gew.-% ZrO2 26 5 34 8 320 353 417
    11 2,0 Al2O3 22 Gew.-% CeO2 25 4 34 2 308 349 417
    12 2,0 Al2O3 13 Gew.-% MnO2 31 6 33 6 317 328 391
    13 2,0 Al2O3 12 Gew.-% Fe2O3 * 42 1 357 388 520
    14 2,0 Al2O3 12 Gew.-% Co3O4 * 41 1 359 380 452
    Vergleichsbeispiel D 1,7 - - 24 4 32 7 298 332 402
    * Erreichte nicht die Umwandlung von 90 % unter 600 °C.
    Tabelle 8 - Leistung der Beispiel-Katalysatoren 8-15 und des Vergleichsbeispiel-Katalysators D bei Lambda = 0,998 nach dem mageren Alterungstest
    Beispiel/Vergleichsbeis piel Pd-Ladun g Erstes Metalloxi d Zweites Metalloxi d C O N O C3H 6 C2H 6 C3H 8
    8 2,0 Al2O3 - 24 5 28 1 258 273 325
    9 2,0 Al2O3 12 Gew.-% TiO2 22 2 22 3 228 235 276
    10 2,0 Al2O3 17 Gew.-% ZrO2 24 2 27 0 251 266 319
    11 2,0 Al2O3 22 Gew.-% CeO2 * 38 8 331 366 426
    12 2,0 Al2O3 13 Gew.-% MnO2 27 0 30 4 277 303 374
    13 2,0 Al2O3 12 Gew.-% Fe2O3 25 8 28 6 283 307 424
    14 2,0 Al2O3 12 Gew.- % Co3O4 25 7 28 5 280 313 395
    15 4,0 Al2O3 12 Gew.-% TiO2 * 35 1 312 341 404
    Vergleichsbeispiel D 1,7 - - 25 5 33 3 313 355 453
    * Erreichte nicht die Umwandlung von 90 % unter 600 °C.
    Tabelle 9 - Leistung der Beispiel-Katalysatoren 8-15 und des Vergleichsbeispiel-Katalysators D bei Lambda = 1,00 nach dem mageren Alterungstest
    Beispiel/Vergleichsbeis piel Pd-Ladun g Erstes Metalloxi d Zweites Metalloxi d C O N O C3H 6 C2H 6 C3H 8
    8 2,0 Al2O3 - 34 8 38 3 350 373 449
    9 2,0 Al2O3 12 Gew.-% TiO2 25 8 25 8 263 271 320
    10 2,0 Al2O3 17 Gew.-% ZrO2 27 7 29 1 282 291 345
    11 2,0 Al2O3 22 Gew.-% CeO2 49 0 35 7 327 341 402
    12 2,0 Al2O3 13 Gew.-% MnO2 25 2 28 4 265 275 350
    13 2,0 Al2O3 12 Gew.-% Fe2O3 25 2 28 6 278 290 408
    14 2,0 Al2O3 12 Gew.-% Co3O4 25 2 28 2 276 291 368
    15 4,0 Al2O3 12 Gew.-% TiO2 30 4 31 8 295 309 375
    Vergleichsbeispiel D 1,7 - - 25 1 34 3 309 352 419
  • Beispiele 16-19
  • Vier Sätze der Beispiele 16-19 wurden durch das gleiche Verfahren wie die Beispiel-Katalysatoren 1-3 hergestellt. Die Beispiele 16-19 beinhalteten 0,5 Gew.-% Ladung von Rhodium auf zweiten Oxid-Oberschichten, die verschiedene Gew.-% von TiO2 beinhalteten. Die Beispiele 16-19 wurden mit einem TWC nach dem Stand der Technik (Vergleichsbeispiel D), der eine Ladung von Palladium von 1,7 % auf Partikeln, die Ceroxid-Zirkonoxid und Aluminiumoxid beinhalteten, aufwies, verglichen. Die Beispiele 16-19 und das Vergleichsbeispiel D wurden frisch ohne Alterung mithilfe eines Durchflussmikroreaktors getestet, wie oben in Beispiel 1 beschrieben, bei Lambda = 0,998 (Sauerstoffniveau von 0,69 %) (erster Satz) bzw. bei Lambda = 1,00 (Sauerstoffniveau von 0,74 %) (zweiter Satz).
  • Der dritte und vierte Satz von Beispielen 16-19 wurden im Alterungstest mit vier Modi gealtert. Nach dem Altern wurde die katalytische Leistung jedes Beispiel-Katalysators 16-19 und des Vergleichsbeispiel-Katalysators D mithilfe eines Durchflussmikroreaktors bewertet, wie oben in Beispiel 1 beschrieben, bei Lambda = 0,998 (Sauerstoffniveau von 0,69 %) (dritter Satz) bzw. bei Lambda = 1,00 (Sauerstoffniveau von 0,74 %) (vierter Satz). Tabelle 10 - Leistung der Beispiel-Katalysatoren 16-19 (erster Satz) und des Vergleichsbeispiel-Katalysators D bei Lambda = 0,998 vor dem Altern
    Beispiel/Vergleichsbeis piel Rh-Ladun g Erstes Metalloxi d Zweites Metalloxi d C O N O C3H 6 C2H 6 C3H 8
    16 0,5 Al2O3 - 18 8 24 6 252 274 389
    17 0,5 Al2O3 6 Gew.-% TiO2 19 5 24 9 258 271 353
    18 0,5 Al2O3 12 Gew.-% TiO2 17 9 22 7 236 253 342
    19 0,5 Al2O3 21 Gew.-% TiO2 20 6 25 4 262 272 348
    Vergleichsbeispiel D 1,7 - - 21 7 26 8 264 303 412
    Tabelle 11 - Leistung der Beispiel-Katalysatoren 16-19 (zweiter Satz) und des Vergleichsbeispiel-Katalysators D bei Lambda = 1,00 vor dem Altern
    Beispiel/Vergleichsbeis piel Rh-Ladun g Erstes Metalloxi d Zweites Metalloxi d C O N O C3H 6 C2H 6 C3H 8
    16 0,5 Al2O3 - 19 9 25 9 261 281 348
    17 0,5 Al2O3 6 Gew.-% TiO2 20 1 25 9 266 277 320
    18 0,5 Al2O3 12 Gew.-% TiO2 17 9 23 3 238 258 298
    19 0,5 Al2O3 21 Gew.-% TiO2 19 9 25 6 261 270 316
    Vergleichsbeispiel D 1,7 - - 21 8 27 5 260 282 371
    Tabelle 12 - Leistung der Beispiel-Katalysatoren 16-19 (dritter Satz) und des Vergleichsbeispiel-Katalysators D bei Lambda = 0,998 nach dem Alterungstest mit vier Modi
    Beispiel/Vergleichsbeis piel Rh-Ladun g Erstes Metalloxi d Zweites Metalloxi d C O N O C3H 6 C2H 6 C3H 8
    16 0,5 Al2O3 - 25 4 28 4 291 326 439
    17 0,5 Al2O3 6 Gew.-% TiO2 23 8 28 0 283 300 382
    18 0,5 Al2O3 12 Gew.-% TiO2 19 1 21 0 227 240 336
    19 0,5 Al2O3 21 Gew.-% TiO2 23 8 27 3 276 288 376
    Vergleichsbeispiel D 1,7 - - 24 3 32 3 300 344 438
    Tabelle 13 - Leistung der Beispiel-Katalysatoren 16-19 (vierter Satz) und des Vergleichsbeispiel-Katalysators D bei Lambda = 1,00 nach dem Alterungstest mit vier Modi
    Beispiel/Vergleichsbeis piel Rh-Ladun g Erstes Metalloxi d Zweites Metalloxi d C O N O C3H 6 C2H 6 C3H 8
    16 0,5 Al2O3 - 25 6 31 8 297 346 399
    17 0,5 Al2O3 6 Gew.-% TiO2 24 2 30 2 292 322 353
    18 0,5 Al2O3 12 Gew.-% TiO2 19 0 22 2 233 253 293
    19 0,5 Al2O3 21 Gew.-% TiO2 23 2 28 8 281 300 341
    Vergleichsbeispiel D 1,7 - - 24 4 32 7 298 332 402
  • 8 zeigt Ergebnisse für Beispiel 18 bei Lambda = 1,00 (0,74 % O2) nach dem Alterungstest mit vier Modi. 9 zeigt die in Tabelle 12 enthaltenen Ergebnisse.
  • Beispiele 20-25
  • Die Beispiele 20-25 wurden durch das gleiche Verfahren wie die Beispiel-Katalysatoren 1-3 hergestellt. Die Beispiele 20-25 beinhalteten verschiedene Ladungen von Rhodium auf zweiten Oxid-Oberschichten, die 17 Gew.-% von ZrO2 bzw. 12 Gew.-% von TiO2 beinhalteten. Die Beispiele 20-25 wurden im Alterungstest mit vier Modi gealtert. Nach dem Altern wurde die katalytische Leistung jedes Katalysators 20-25 mithilfe eines Durchflussmikroreaktors bewertet, wie oben in Beispiel 1 beschrieben, bei einem Sauerstoffniveau von 0,74 % (Stöchiometrie). Tabelle 14 - Leistung der Beispiel-Katalysatoren 20-25 bei Lambda = 0,998 nach dem Alterungstest mit vier Modi
    Beispiel Rh-Ladung Erstes Metalloxid Zweites Metalloxid CO NO C3H6 C2H6 C3H8
    20 0,2 Al2O3 17 Gew.-% ZrO2 221 295 266 303 365
    21 0,6 Al2O3 17 Gew.-% ZrO2 201 202 213 252 311
    22 1,0 Al2O3 17 Gew.-% ZrO2 273 299 309 336 446
    23 0,1 Al2O3 12 Gew.-% TiO2 289 361 332 380 474
    24 0,5 Al2O3 12 Gew.-% TiO2 190 222 233 253 293
    25 1,0 Al2O3 12 Gew.-% TiO2 246 294 296 322 392
  • Vorangehend werden zwar beispielhafte Ausführungsformen beschrieben, doch wird damit nicht die Absicht verfolgt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Offenbarung beschreiben. Die in der Beschreibung verwendeten Ausdrücke sind beschreibende und keine einschränkenden Ausdrücke, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von Geist und Umfang der Offenbarung abzuweichen. Außerdem können die Merkmale verschiedener umgesetzter Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Offenbarung zu bilden.

Claims (15)

  1. Verfahren, umfassend: Verwenden eines katalytischen Dreiwegekonverters mit einem Katalysator, der aus einer Vielzahl von Partikeln gebildet ist, wobei jedes ein Zentrum aus einem ersten Metalloxid, eine Einzelschicht aus einem zweiten Metalloxid und ein katalytisch aktives Metall zum Verringern der Konzentration von Kohlenwasserstoffen, Kohlenstoffmonoxid und Stickstoffoxiden im Abgas während stöchiometrischen, fetten und mageren Bedingungen beinhaltet, wobei ein Molverhältnis des Metalls in den Einzelschichten zu dem Metall in den Zentren zwischen etwa 0,01 und 0,2 beträgt, und wobei eine Ladung des katalytisch aktiven Metalls etwa 0,5 bis 5 Gew.-% Palladium oder etwa 0,1 bis 1 Gew.-% Rhodium, bezogen auf das Gesamtgewicht des Katalysators, beträgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Grenzflächen zwischen den Zentren und Einzelschichten, den Einzelschichten oder beide katalytisch aktives Metall beinhalten.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei einige der Einzelschichten kontinuierlich sind.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zentren Übergangsaluminiumoxid, -bariumoxid, -lanthanoxid, -siliciumoxid, -titanoxid, - zirkonoxid oder eine Kombination davon umfassen.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einzelschichten Ceroxid, Cobaltoxid, Eisenoxid, Hafniumoxid, Magnanoxid, Nioboxid, Tantaloxid, Titanoxid, Zirkonoxid oder eine Kombination davon umfassen.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zentren mit etwa 1 bis 15 Gew.-% Barium, Lanthan, Silicium oder einer Kombination davon, bezogen auf ein Gesamtgewicht des Katalysators, stabilisiert sind.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Katalysator auf ein Keramik- oder Metallmonolithsubstrat aufgetragen ist, welches Durchflusskanäle oder eine Wandflusskonfiguration definiert.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner beinhaltend Fangen und Oxidieren von Ruß während eines Kaltstarts.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend Umwandeln von mindestens 90 % CO bei einer Temperatur zwischen etwa 150 °C und 250 °C, NO bei einer Temperatur zwischen etwa 200 °C und 270 °C, C2H4 bei einer Temperatur zwischen etwa 200 °C und 270 °C, C3H6 bei einer Temperatur zwischen etwa 200 °C und 270 °C, C3H8 bei einer Temperatur zwischen 230 °C und 350 °C oder eine Kombination davon.
  10. Verfahren zum Bilden eines katalytischen Konverterkatalysators, umfassend: Anordnen eines ersten und zweiten Metalloxids zum Formen von Partikeln, jeweils mit einem Zentrum des ersten Metalloxids und einer Einzelschicht des zweiten Metalloxids auf dem Zentrum, durch Inkontaktbringen der Zentren mit einem löslichen Komplex eines oder mehrerer Elemente des zweiten Metalloxids bei einem Molverhältnis von Metall in dem zweiten Metalloxid zu Metall in dem ersten Metalloxid von etwa 0,01 zu 0,2 und Ablagern des katalytisch aktiven Metalls auf jeder der Einzelschichten bei Grenzflächen zwischen dem ersten und zweiten Metalloxid oder beiden zum Produzieren eines katalytischen Konverterkatalysators, der etwa 0,5 bis 5 Gew.-% Palladium oder etwa 0,1 bis 1 Gew.-% Rhodium, bezogen auf das Gesamtgewicht des Katalysators, umfasst.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der lösliche Komplex eine oder mehrere Alkoxidgruppen umfasst.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei der lösliche Komplex ein Metallalkoxid mit einer Formel Mx(OR)v (I) umfasst, wobei M für Ti, Zr, Hf, Ni oder Ta steht, R für eine lineare oder verzweigte Alkylgruppe mit einer Formel CnH2n+1 steht, wobei n 1 bis 6 ist, x 1 oder 2 ist, und v 4, 5, 8 oder 10 ist, oder einer Formel MO(OR)3 (II), wobei M für Ni oder Ta steht, und R für eine lineare oder verzweigte Alkylgruppe mit einer Formel CnH2n+1 steht, wobei n 1 bis 6 ist.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10-12, ferner umfassend Auftragen des Katalysators auf ein Keramik- oder Metallmonolithsubstrat.
  14. Katalytischer Konverterkatalysator für ein Kraftfahrzeug, umfassend: ein erstes Metalloxid, welches jedes einer Vielzahl von Partikelzentren des katalytischen Konverterkatalysators für ein Kraftfahrzeug bildet; ein zweites Metalloxid, das als eine Einzelschicht auf jedes der Zentren aufgetragen wird; und ein katalytisch aktives Metall, das auf jede/s der Zentren, der Einzelschichten oder beide abgelagert ist, wobei ein Molverhältnis von Metall im zweiten Metalloxid zu Metall im ersten Metalloxid zwischen 0,01 und 0,2 beträgt, und wobei eine Ladung des katalytisch aktiven Metalls etwa 0,5 bis 5 Gew.-% Palladium oder etwa 0,1 bis 1 Gew.-% Rhodium, bezogen auf das Gesamtgewicht des Katalysators, beträgt.
  15. Katalysator nach Anspruch 14, wobei einige der Einzelschichten diskontinuierlich sind.
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