DE102018127219A1 - Catalyst for use in selective NOx reduction in NOx-containing exhaust gases, method for producing a catalyst, device for selective NOx reduction and method for selective NOx reduction - Google Patents

Catalyst for use in selective NOx reduction in NOx-containing exhaust gases, method for producing a catalyst, device for selective NOx reduction and method for selective NOx reduction Download PDF

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Abstract

Ein Katalysator (1) zur Verwendung bei einer selektiven NO-Reduktion in NO-haltigen Abgasen unter Zuführung von Wasserstoff zu den Abgasen weist einen Grundkörper (3), eine auf dem Grundkörper (3) aufgebrachte Trägerschicht (4) aus Zirkoniumoxid, eine auf der Trägerschicht (4) aufgebrachte aktive Komponente (5b) und einen auf der Trägerschicht (4) aufgebrachten Promotor (5a) auf. Das Zirkoniumoxid der Trägerschicht (4) weist eine Kristallstruktur auf, deren amorpher Anteil mindestens 20% beträgt.A catalyst (1) for use in a selective NO reduction in NO-containing exhaust gases while supplying hydrogen to the exhaust gases has a base body (3), a support layer (4) made of zirconium oxide applied to the base body (3), one on the Carrier layer (4) applied active component (5b) and a promoter (5a) applied to the carrier layer (4). The zirconium oxide of the carrier layer (4) has a crystal structure, the amorphous proportion of which is at least 20%.

Description

Die Erfindung betrifft einen Katalysator zur Verwendung bei einer selektiven NOx-Reduktion in NOx-haltigen Abgasen unter Zuführung von Wasserstoff zu den Abgasen nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Katalysators zur selektiven NOx-Reduktion in NOx-haltigen Abgasen, eine Vorrichtung zur selektiven NOx-Reduktion in NOx-haltigen Abgasen aus Verbrennungsmotoren sowie ein Verfahren zur selektiven NOx-Reduktion in NOx-haltigen Abgasen.The invention relates to a catalyst for use in a selective NO x reduction in NO x -containing exhaust gases with supply of hydrogen to the exhaust gases according to the type defined in the preamble of claim 1. The invention further relates to a method for producing a catalyst for selective reduction of NO x in the NO x -containing exhaust gases, a device for the selective reduction of NO x in the NO x -containing exhaust gases from internal combustion engines and to a method for the selective reduction of NO x in the NO x -containing exhaust gases.

Aufgrund immer restriktiver werdender Emissionsvorschriften ist es bereits jetzt zum überwiegenden Teil erforderlich, bei von Verbrennungsmotoren angetriebenen Kraftfahrzeugen zur Entfernung von Stickstoffoxiden das Abgas nachzubehandeln. Unter dem Sammelbegriff der Stickstoffoxide werden verschiedene Oxidationsstufen des Stickstoffs, wie zum Beispiel Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2), zusammengefasst. Die Gase sind für den Menschen sehr giftig. Neben Schwefeldioxid tragen die Stickstoffoxide zum sauren Regen bei, da durch die Reaktion von Stickstoffdioxid mit Wasser Salpetersäure und Salpetrige Säure entstehen. Dieser saure Regen ist mitverantwortlich für das durch das Auswaschen der Nährstoffe im Boden verursachte Waldsterben und für Schäden an Gebäuden mit säureempfindlichen Baustoffen. Des Weiteren spielen die Stickstoffoxide eine zentrale Rolle bei der Bildung von Ozon in bodennahen Schichten. Das Ozon kann beim Menschen zu Reizungen und Entzündungen der Atemwege führen und wirkt bei Pflanzen als Zellgift. In der Stratosphäre dagegen wird das Ozon durch Stickstoffmonoxid zerstört, was zur Entstehung des Ozonlochs beiträgt. Der Ausstoß der Stickstoffoxide kann sowohl natürlichen Ursprungs, zum Beispiel aus mikrobiellen Vorgängen und Vegetationsbränden, als auch anthropogenen Ursprungs, wie zum Beispiel aus Kraftwerken, Industrie, Kleinfeuerungsanlagen im Haushalt und dem Verkehr, sein. Zur Nachbehandlung von Abgasen werden daher bereits seit geraumer Zeit Katalysatoren eingesetzt.Due to increasingly restrictive emission regulations, it is already largely necessary to post-treat the exhaust gas in motor vehicles driven by internal combustion engines to remove nitrogen oxides. Various nitrogen oxidation levels, such as nitrogen monoxide (NO) and nitrogen dioxide (NO 2 ), are summarized under the collective term of nitrogen oxides. The gases are very toxic to humans. In addition to sulfur dioxide, the nitrogen oxides contribute to acid rain, since the reaction of nitrogen dioxide with water produces nitric acid and nitrous acid. This acid rain is partly responsible for the forest dieback caused by the washing out of the nutrients in the soil and for damage to buildings with acid-sensitive building materials. Furthermore, the nitrogen oxides play a central role in the formation of ozone in layers near the ground. Ozone can irritate and inflame the respiratory tract in humans and acts as a cell poison in plants. In the stratosphere, on the other hand, ozone is destroyed by nitrogen monoxide, which contributes to the formation of the ozone hole. Nitrogen oxide emissions can be of natural origin, e.g. from microbial processes and vegetation fires, as well as anthropogenic origin, e.g. from power plants, industry, small combustion plants in the home and in traffic. Catalysts have therefore been used for after-treatment of exhaust gases for some time.

Ein Verfahren zur Entfernung von Stickoxiden aus einem Abgasstrom ist in der EP 0 666 099 B1 beschrieben. Der dabei eingesetzte Katalysator adsorbiert die sich in dem Abgas befindlichen Stickoxide, woraufhin dem Katalysator ein Gas mit einem bestimmten Gehalt einer reduzierenden Substanz in vorgegebenen Zeitabständen und für gewisse Zeitdauern zugeführt wird. Derartige Speicherkatalysatoren, bei denen basische Komponenten, wie zum Beispiel Lithiumoxid, Kaliumoxid, Natriumoxid, Bariumoxid oder ähnliche Oxide eingesetzt werden, erfordern jedoch eine verhältnismäßig komplizierte Ansteuerung und haben meist einen hohen Regenerationsbedarf.A method for removing nitrogen oxides from an exhaust gas stream is in the EP 0 666 099 B1 described. The catalyst used adsorbs the nitrogen oxides in the exhaust gas, whereupon a gas with a certain content of a reducing substance is supplied to the catalyst at predetermined time intervals and for certain periods of time. Storage catalysts of this type, in which basic components, such as lithium oxide, potassium oxide, sodium oxide, barium oxide or similar oxides, are used, however, require a relatively complicated control and usually have a high need for regeneration.

Bei diesen NOx-Speicherkatalysatoren wird das hauptsächlich emittierte NO an einem Platin aufweisenden Katalysator zu NO2 oxidiert, welches nachfolgend an speziellen Speichermedien, beispielsweise BaCO3, adsorbiert wird. Wenn die Speicherkapazität dieses Katalysators erschöpft ist, wird eine motorinduzierte Regeneration des Katalysators eingeleitet, bei welcher die eingeleiteten Stickstoffoxide in Stickstoff überführt werden. Ein weiterer Nachteil der bekannten NOx-Speicherkatalysatoren, die nach dem sogenannten NSK-Verfahren arbeiten, besteht in der Gefahr der Vergiftung der NOx-Sorbenzien durch die im Abgas enthaltenen Schwefeloxide SO2 und SO3. Um diese Problematik zu umgehen, sind meist aufwändige Motormanagementstrategien erforderlich.In these NO x storage catalysts, the mainly emitted NO is oxidized to NO 2 on a platinum-containing catalyst, which is subsequently adsorbed on special storage media, for example BaCO 3 . When the storage capacity of this catalyst is exhausted, engine-induced regeneration of the catalyst is initiated, in which the nitrogen oxides introduced are converted into nitrogen. Another disadvantage of the known NO x storage catalysts, which operate according to the so-called NSK process, is the risk of poisoning the NO x sorbents by the sulfur oxides SO 2 and SO 3 contained in the exhaust gas. To avoid this problem, complex engine management strategies are usually required.

Aus der EP 0 960 649 B1 ist ein Abgasreinigungskatalysator bekannt, bei welchem die verwendeten Materialien Ceroxid und/oder Zirkoniumdioxid Mischoxide aufweisen, die dazu dienen, gesättigte Kohlenwasserstoffe aus dem Abgas zu entfernen. Als Reduktionsmittel für die in dem Abgas enthaltenen Stickoxide wird Ammoniak eingesetzt.From the EP 0 960 649 B1 An exhaust gas purification catalyst is known in which the materials used have cerium oxide and / or zirconium dioxide mixed oxides which serve to remove saturated hydrocarbons from the exhaust gas. Ammonia is used as a reducing agent for the nitrogen oxides contained in the exhaust gas.

Die bei solchen SCR-Katalysatoren häufig eingesetzte aktive Komponente V2O5 ist jedoch toxikologisch bedenklich und kann außerdem bei sehr hohen Abgastemperaturen schmelzen bzw. verdampfen. Ein weiterer limitierender Faktor hinsichtlich der Aktivität des SCR-Verfahrens bei niedrigen Temperauren liegt in der On-Board-Produktion des Reduktionsmitteln NH3 aus Harnstoff begründet, die derzeit erst oberhalb ca. 220 °C technisch beherrscht wird.However, the active component V 2 O 5 frequently used in such SCR catalysts is toxicologically unsafe and can also melt or evaporate at very high exhaust gas temperatures. Another limiting factor with regard to the activity of the SCR process at low temperatures lies in the on-board production of the reducing agent NH 3 from urea, which is currently only technically mastered above approx. 220 ° C.

Die EP 0 763 380 A1 beschreibt Schalenkatalysatoren, welche aus einem Kern und mindestens einer äußeren Schale oder aus einem Träger, mindestens einer inneren und mindestens einer äußeren Schale bestehen, wobei die äußeren Schalen Oxide bestimmter Elemente enthalten.The EP 0 763 380 A1 describes shell catalysts which consist of a core and at least one outer shell or of a support, at least one inner and at least one outer shell, the outer shells containing oxides of certain elements.

Ein Nachteil der bekannten Lösungen zur NOx-Entfernung aus sauerstoffreichen Abgasen besteht in den meisten Fällen außerdem darin, dass die Stickstoffoxide erst oberhalb von 200°C und damit bei Temperaturen umgesetzt werden, wie sie insbesondere bei Diesel- oder Wasserstoffmotoren auftreten.A disadvantage of the known solutions for NO x removal from oxygen-rich exhaust gases is in most cases also that the nitrogen oxides are only converted above 200 ° C. and thus at temperatures such as occur in particular in diesel or hydrogen engines.

Dadurch, dass aufgrund der kontinuierlichen Optimierung des Wirkungsgrads der Verbrennungsmotoren die Temperatur der Abgase ständig reduziert wird, ergibt sich bei den bekannten Lösungen ein großes Problem hinsichtlich ihrer Wirksamkeit. Beispielsweise liegt bei modernen, nach dem Dieselprinzip arbeitenden Verbrennungsmotoren für PKW die Abgastemperatur im relevanten Zertifizierungszyklus der EU zu rund 60 % der Zeit unterhalb von 150°C und zu ca. 75 % der Zeit unterhalb von 200°C. Bei Wasserstoffverbrennungsmotoren ist dieser Wert sehr ähnlich. Because the temperature of the exhaust gases is constantly reduced due to the continuous optimization of the efficiency of the internal combustion engines, the known solutions pose a major problem with regard to their effectiveness. For example, in modern internal combustion engines for cars, which operate on the diesel principle, the exhaust gas temperature in the relevant EU certification cycle is below 150 ° C for around 60% of the time and below 200 ° C for around 75% of the time. This value is very similar for hydrogen combustion engines.

Bei der NOx-Katalysatortechnik ist die Aktivität bei tiefen Temperaturen durch die erforderliche Erzeugung von NO2 im Abgasstrang begrenzt, da die auf Platin oder Palladium basierenden Oxidationskatalysatoren erst ab ca. 220 °C eine ausreichende Aktivität zeigen.In the case of NO x catalyst technology, the activity at low temperatures is limited by the required generation of NO 2 in the exhaust line, since the oxidation catalysts based on platinum or palladium show sufficient activity only from approximately 220 ° C.

Die SCR- und NSK-Verfahren erfüllen damit nicht den zentralen Punkt der selektiven Umsetzung von NOx zu Stickstoff und Wasser bei tiefen Temperaturen.The SCR and NSK processes therefore do not meet the central point of the selective conversion of NO x to nitrogen and water at low temperatures.

Aus der DE 11 2006 003 078 T5 ist ein Emissionssystem zur Reduktion von Stickoxiden in Dieselmotorabgasen unter mageren Verbrennungsbedingungen bekannt, bei dem zum Beispiel Palladium als aktive Komponente und ein γ-Aluminiumoxid als Trägerschicht eingesetzt werden. Auch dieses System bzw. der sich daraus ergebende Katalysator zeigt keine ausreichende Aktivität bei tiefen Temperaturen. Hierbei werden Wasserstoff und Kohlenmonoxid als Reduktionsmittel eingesetzt.From the DE 11 2006 003 078 T5 an emission system for the reduction of nitrogen oxides in diesel engine exhaust gases under lean combustion conditions is known, in which, for example, palladium is used as the active component and a γ-aluminum oxide as the carrier layer. This system and the resulting catalyst also show insufficient activity at low temperatures. Here, hydrogen and carbon monoxide are used as reducing agents.

Aus der WO 2007/020035 A1 sind ebenfalls ein solcher Katalysator, ein Herstellungsverfahren für denselben sowie eine Vorrichtung und ein Verfahren zur selektiven NOx-Reduktion in NOx-haltigen Abgasen bekannt.From the WO 2007/020035 A1 Such a catalyst, a production method for the same and a device and a method for selective NO x reduction in NO x -containing exhaust gases are also known.

Allerdings kann mit den dort beschriebenen Katalysatoren keine für die Praxis ausreichende selektive Umsetzung der Stickstoffoxide erreicht werden. Insbesondere wird bei dem in der WO 2007/020035 A1 beschriebenen Verfahren ein relativ großer Anteil an Lachgas erzeugt, was sehr nachteilig ist, da Lachgas mehr als 300-mal stärker zum Treibhauseffekt beiträgt als beispielsweise CO2. Ein weiterer Nachteil des dort beschriebenen Katalysators besteht darin, dass für das aus Zirkoniumoxid bestehende Trägermaterial nur die tetragonale Kristallmodifikation verwendet werden kann, was einen sehr großen fertigungstechnischen Aufwand erfordert.However, the catalysts described there cannot be used to achieve a selective conversion of the nitrogen oxides which is sufficient in practice. In particular, in the WO 2007/020035 A1 described process generates a relatively large proportion of laughing gas, which is very disadvantageous, since laughing gas contributes more than 300 times to the greenhouse effect than, for example, CO 2 . A further disadvantage of the catalyst described there is that only the tetragonal crystal modification can be used for the support material consisting of zirconium oxide, which requires a very large outlay in terms of production technology.

Aus der EP 1 475 149 A1 ist ein weiterer Katalysator für die Reduktion von NOx zu N2 mit Wasserstoff unter O2-reichen Bedingungen bekannt. Dieser bekannte Katalysator basiert auf Platin, welches in einer Menge zwischen 0,1 und 2 Gewichts-% auf einem aus Magnesium- oder Ceroxid oder einem Vorläufer davon bestehenden Trägermaterial verteilt ist. From the EP 1 475 149 A1 Another catalyst for the reduction of NO x to N 2 with hydrogen under conditions rich in O 2 is known. This known catalyst is based on platinum, which is distributed in an amount between 0.1 and 2% by weight on a support material consisting of magnesium or cerium oxide or a precursor thereof.

Zwar werden mit diesem Katalysator bereits recht gute Ergebnisse bei der NOx-Reduktion erzielt, bei zukünftigen Schadstoffgrenzwerten wird jedoch auch dieser Katalysator an seine Grenzen stoßen.Although this catalyst already achieves very good results in NO x reduction, this catalyst will also reach its limits with future pollutant limit values.

Die DE 102 16 748 A1 beschreibt modifizierte Katalysatoren für die selektive Hydrierung von aromatischen Kohlenwasserstoffen mit sperrigen oder verzweigten Substituenten. Eine NOx-Reduktion in NOx-haltigen Abgasen ist mit diesen Katalysatoren jedoch nicht durchführbar.The DE 102 16 748 A1 describes modified catalysts for the selective hydrogenation of aromatic hydrocarbons with bulky or branched substituents. However, NO x reduction in NO x -containing exhaust gases cannot be carried out with these catalysts.

In der DE 44 36 890 A1 ist ein Verfahren zur gleichzeitigen Verminderung der im Abgas einer Verbrennungskraftmaschine enthaltenen Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Stickoxide beschrieben. Der dabei eingesetzte Katalysator weist ein Aluminiumsilikat als hochoberflächiges Trägermaterial auf.In the DE 44 36 890 A1 describes a method for simultaneously reducing the hydrocarbons, carbon monoxide and nitrogen oxides contained in the exhaust gas of an internal combustion engine. The catalyst used has an aluminum silicate as a high-surface support material.

Ein gattungsgemäßer Katalysator sowie eine Vorrichtung und ein Verfahren zur selektiven NOx-Reduktion in NOx-haltigen Abgasen sind aus der DE 10 2005 038 547 A1 bekannt. Einen ähnlichen Stand der Technik beschreibt auch die DE 10 2010 040 808 A1 . Dabei wird Wasserstoff als Reduktionsmittel eingesetzt, wodurch sich eine verbesserte Tieftemperaturaktivität des Katalysators ergibt. Trotz vielversprechender Ansätze zeigten diese Katalysatoren jedoch nicht den gewünschten Erfolg.A generic catalyst and a device and a method for selective NO x reduction in NO x -containing exhaust gases are from the DE 10 2005 038 547 A1 known. The describes a similar prior art DE 10 2010 040 808 A1 . Hydrogen is used as a reducing agent, which results in an improved low-temperature activity of the catalyst. Despite promising approaches, these catalysts did not show the desired success.

In der DE 10 2016 107 466 A1 ist ein weiterer Katalysator zur Verwendung bei einer selektiven NOx-Reduktion in NOx-haltigen Abgasen beschrieben, bei dem die Trägerschicht aus in einer ETA Modifikation vorliegendem Aluminiumoxid besteht. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass dieser Katalysator weniger effektiv ist als zunächst angenommen. In the DE 10 2016 107 466 A1 describes a further catalyst for use in a selective NO x reduction in NO x -containing exhaust gases, in which the carrier layer consists of aluminum oxide present in an ETA modification. However, it has been found that this catalyst is less effective than initially thought.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Katalysator zur Verwendung bei einer selektiven NOx-Reduktion in NOx-haltigen Abgasen sowie eine Vorrichtung und ein Verfahren zur selektiven NOx-Reduktion in NOx-haltigen Abgasen zu schaffen, mit denen Stickstoffoxide bereits bei sehr niedrigen Temperaturen mit hohen Umsatzraten reduziert werden können. It is therefore an object of the present invention to provide a catalyst for use in selective NO x reduction in NO x -containing exhaust gases and a device and a method for selective NO x reduction in NO x -containing exhaust gases with which nitrogen oxides already exist can be reduced at very low temperatures with high turnover rates.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe für den Katalysator durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.According to the invention, this object is achieved for the catalyst by the features mentioned in claim 1.

Die Erfinder haben überaschenderweise festgestellt, dass die Verwendung eines Zirkoniumoxids, das eine Kristallstruktur mit einem amorphen Anteil von mindestens 20 % aufweist, für die Trägerschicht des erfindungsgemäßen Katalysators die Aktivität des Katalysators bezüglich der NOx-Reduktion wesentlich verbessert. Dies ist umso überraschender, als frühere Ansätze der Verwendung von Zirkoniumoxid für Trägerschichten, wie beispielsweise in der DE 10 2005 038 547 A1 oder der DE 10 2010 040 808 A1 beschrieben, zu einer deutlich geringeren Aktivität führten. Aufgrund des Ausbleibens der Erfolge waren die Erfinder bei der Entwicklung dann dazu übergangen, Trägermaterialien aus Aluminiumoxid einzusetzen, wie in der DE 10 2016 107 466 A1 beschrieben.The inventors have surprisingly found that the use of a zirconium oxide, which has a crystal structure with an amorphous content of at least 20%, significantly improves the activity of the catalyst with respect to the NO x reduction for the support layer of the catalyst according to the invention. This is all the more surprising since earlier approaches to the use of zirconium oxide for carrier layers, such as for example in US Pat DE 10 2005 038 547 A1 or the DE 10 2010 040 808 A1 described led to a significantly lower activity. Due to the lack of success, the inventors then switched to using aluminum oxide substrates, as in the DE 10 2016 107 466 A1 described.

In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Promotor aus Wolframoxid besteht. Durch die Verwendung eines Promotors aus Wolframoxid wird die Aktivität des erfindungsgemäßen Katalysators bezüglich der NOx-Reduktion noch wesentlich verbessert.In a very advantageous development of the invention it can be provided that the promoter consists of tungsten oxide. By using a promoter made of tungsten oxide, the activity of the catalyst according to the invention with respect to NO x reduction is significantly improved.

Eine noch höhere Aktivität des Katalysators ergibt sich, wenn das Wolframoxid zu 100% amorph ist.An even higher activity of the catalyst results if the tungsten oxide is 100% amorphous.

Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann darin bestehen, dass Wolfram in einem Verhältnis zu der mittels der BET-Methode ermittelten Oberfläche der Trägerschicht von 0,0016 gWolfram/m2 - 0,00001 gWolfram /m2, vorzugsweise 0,0013 gWolfram 1m2 - 0,0001 gWolfram /m2, noch bevorzugter 0,0010 - 0,0002 gWolfram /m2, noch bevorzugter 0,0008 - 0,0003 gWolfram /m2, am bevorzugtesten 0,0006-0,0003 gWolfram/m2, vorliegt. Es hat sich in praktischen Versuchen herausgestellt, dass ein solcher Anteil von Wolfram in bzw. auf der Trägerschicht eine noch deutlich verbesserte Aktivität des erfindungsgemäßen Katalysators hervorbringt.Another very advantageous embodiment of the invention can consist in that tungsten has a ratio of 0.0016 g tungsten / m 2 to 0.00001 g tungsten / m 2 , preferably 0.0013, to the surface of the carrier layer determined by the BET method g tungsten 1m 2 - 0.0001 g tungsten / m 2 , more preferably 0.0010 - 0.0002 g tungsten / m 2 , more preferably 0.0008 - 0.0003 g tungsten / m 2 , most preferably 0.0006- 0.0003 g tungsten / m 2 is present. It has been found in practical tests that such a proportion of tungsten in or on the carrier layer produces a still significantly improved activity of the catalyst according to the invention.

Dieser Effekt lässt sich noch weiter steigern, wenn das Zirkoniumoxid der Trägerschicht eine Kristallstruktur aufweist, deren amorpher Anteil mindestens 60% beträgt.This effect can be further increased if the zirconium oxide of the carrier layer has a crystal structure, the amorphous proportion of which is at least 60%.

Eine besonders zu bevorzugende Ausführungsform der Erfindung kann darin bestehen, dass die Trägerschicht eine mittels der BET-Methode ermittelte Oberfläche von 90 - 500 m2/g aufweist. Durch den Einsatz einer derart erhöhten Oberfläche kann die Baugröße des Katalysators bei gleicher Aktivität wesentlich verringert werden.A particularly preferred embodiment of the invention can consist in the fact that the carrier layer has a surface area of 90-500 m 2 / g determined by the BET method. By using such an increased surface, the size of the catalyst can be significantly reduced with the same activity.

Um die Aktivität des erfindungsgemäßen Katalysators bezüglich der NOx-Reduktion noch weiter zu steigern, kann des Weiteren vorgesehen sein, dass die aktive Komponente aus Platin oder Palladium besteht.In order to further increase the activity of the catalyst according to the invention with respect to the NO x reduction, it can further be provided that the active component consists of platinum or palladium.

In Anspruch 8 ist ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Katalysators beschrieben.In claim 8, a method for producing a catalyst according to the invention is described.

Mit diesem Verfahren lässt sich der erfindungsgemäße Katalysator sehr einfach herstellen und es kann eine hohe Aktivität desselben bezüglich der NOx-Reduzierung erreicht werden.With this method, the catalyst according to the invention can be produced very easily and a high activity thereof with regard to the NO x reduction can be achieved.

Eine Vorrichtung zur selektiven NOx-Reduktion in NOx-haltigen Abgasen aus Verbrennungsmotoren mit einem erfindungsgemäßen Katalysator ist in Anspruch 9 angegeben.A device for selective NO x reduction in NO x -containing exhaust gases from internal combustion engines with a catalyst according to the invention is specified in claim 9.

Diese Vorrichtung, die unter anderem auch eine Wasserstoffzuführeinrichtung zur Einbringung von Wasserstoff in die Abgasleitung und/oder in den Verbrennungsmotor aufweist, ermöglicht einen optimalen Einsatz des erfindungsgemäßen Katalysators. Dabei kann der zugeführte Wasserstoff sowohl mittels einer separaten Einrichtung dem Katalysator zugeführt werden, es ist jedoch auch möglich, den sogenannten Schlupf, also den Anteil an Wasserstoff, der in den Brennräumen nicht verbrannt wird, zu verwenden.This device, which, among other things, also has a hydrogen supply device for introducing hydrogen into the exhaust pipe and / or into the internal combustion engine, enables an optimal use of the catalyst according to the invention. The hydrogen supplied can be fed to the catalyst by means of a separate device, but it is also possible to use the so-called slip, that is to say the proportion of hydrogen which is not burned in the combustion chambers.

Aus Anspruch 10 ergibt sich ein Verfahren zur selektiven NOx-Reduktion in NOx-haltigen Abgasen mittels einer solchen Vorrichtung.A method for selective NO x reduction in NO x -containing exhaust gases results from claim 10 by means of such a device.

Dieses Verfahren stellt sicher, dass die hohe Aktivität des erfindungsgemäßen Katalysators in jedem Betriebszeitpunkt genutzt wird, da in jedem Betriebszeitpunkt ausreichend Wasserstoff zur Verfügung steht.This method ensures that the high activity of the catalyst according to the invention is used at every time of operation, since sufficient hydrogen is available at every time of operation.

Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellt. Exemplary embodiments of the invention are shown in principle below with reference to the drawing.

Es zeigt:

  • 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des Aufbaus des erfindungsgemäßen Katalysators;
  • 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des Aufbaus des erfindungsgemäßen Katalysators;
  • 3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform des Aufbaus des erfindungsgemäßen Katalysators;
  • 4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur selektiven NOx-Reduktion bei einem Verbrennungsmotor;
  • 5 ein Diagramm, in dem der Einfluss der Oberfläche der Trägerschicht auf den NOx-Umsatz bei verschiedenen Katalysatoren dargestellt ist;
  • 6 ein Diagramm, in dem der Einfluss der Oberfläche der Trägerschicht auf die N2O-Bildung bei verschiedenen Katalysatoren dargestellt ist;
  • 7 ein Diagramm, in dem der Einfluss der Verteilung der aktiven Komponente auf den NOx-Umsatz bei verschiedenen Katalysatoren dargestellt ist;
  • 8 ein Diagramm, in dem der Einfluss der Verteilung der aktiven Komponente auf die N2O-Bildung bei verschiedenen Katalysatoren dargestellt ist;
  • 9 ein Diagramm, in dem der Einfluss des CO-Signals auf den NOx-Umsatz bei verschiedenen Katalysatoren dargestellt ist;
  • 10 ein Diagramm, in dem der Einfluss des CO-Signals auf die N2O-Bildung bei verschiedenen Katalysatoren dargestellt ist;
  • 11 ein erstes Diagramm, in dem der Einfluss der Kristallinität der Trägerschicht auf den NOx-Umsatz bei verschiedenen Katalysatoren dargestellt ist;
  • 12 ein zweites Diagramm, in dem der Einfluss der Kristallinität der Trägerschicht auf den NOx-Umsatz bei verschiedenen Katalysatoren dargestellt ist;
  • 13 ein drittes Diagramm, in dem der Einfluss des monoklinen Anteils der Trägerschicht auf den NOx-Umsatz bei verschiedenen Katalysatoren dargestellt ist;
  • 14 ein viertes Diagramm, in dem der Einfluss des tetragonalen Anteils der Trägerschicht auf den NOx-Umsatz bei verschiedenen Katalysatoren dargestellt ist;
  • 15 ein Diagramm, in dem der Einfluss des Anteils von Wolfram an der Trägerschicht auf den NOx-Umsatz bei verschiedenen Katalysatoren dargestellt ist; und
  • 16 ein Diagramm, in dem Raman-Verschiebungen der einzelnen Katalysatoren dargestellt sind;
It shows:
  • 1 a schematic representation of a first embodiment of the structure of the catalyst according to the invention;
  • 2nd a schematic representation of a second embodiment of the structure of the catalyst according to the invention;
  • 3rd is a schematic representation of a third embodiment of the structure of the catalyst according to the invention;
  • 4th a schematic representation of a device according to the invention for selective NO x reduction in an internal combustion engine;
  • 5 a diagram in which the influence of the surface of the support layer on the NO x conversion is shown for various catalysts;
  • 6 a diagram in which the influence of the surface of the support layer on the N 2 O formation is shown for various catalysts;
  • 7 a diagram showing the influence of the distribution of the active component on the NO x conversion for different catalysts;
  • 8th a diagram showing the influence of the distribution of the active component on the N 2 O formation in various catalysts;
  • 9 a diagram showing the influence of the CO signal on the NO x conversion for various catalysts;
  • 10th a diagram showing the influence of the CO signal on the N 2 O formation in various catalysts;
  • 11 a first diagram in which the influence of the crystallinity of the support layer on the NO x conversion is shown for various catalysts;
  • 12th a second diagram in which the influence of the crystallinity of the support layer on the NO x conversion is shown for various catalysts;
  • 13 a third diagram, in which the influence of the monoclinic portion of the support layer on the NO x conversion is shown for various catalysts;
  • 14 a fourth diagram, in which the influence of the tetragonal portion of the carrier layer on the NO x conversion is shown for different catalysts;
  • 15 a diagram in which the influence of the proportion of tungsten in the support layer on the NO x conversion is shown for various catalysts; and
  • 16 a diagram in which Raman shifts of the individual catalysts are shown;

1 zeigt in einer sehr schematischen, nicht maßstabsgetreuen und stark vergrößerten Darstellung eine erste Ausführungsform eines Katalysators 1 zur selektiven NOx-Reduktion in den Abgasen eines in 4 dargestellten Verbrennungsmotors 2. Bei den aus dem Verbrennungsmotor 2 austretenden Abgasen handelt es sich insbesondere um sauerstoffreiche Abgase, also um Abgase mit einem Sauerstoffgehalt von mehr als 1%. Im vorliegenden Fall handelt es sich bei dem Verbrennungsmotor 2 um einen Wasserstoffverbrennungsmotor, grundsätzlich ist der Katalysator 1 jedoch auch bei anderen Verbrennungsmotoren 2 einsetzbar, zum Beispiel bei Dieselmotoren. 1 shows in a very schematic, not to scale and greatly enlarged representation of a first embodiment of a catalyst 1 for selective NO x reduction in the exhaust gases of an in 4th illustrated internal combustion engine 2nd . With those from the internal combustion engine 2nd escaping exhaust gases are in particular oxygen-rich exhaust gases, that is to say exhaust gases with an oxygen content of more than 1%. In the present case, it is the internal combustion engine 2nd a hydrogen combustion engine, basically the catalyst 1 however also with other internal combustion engines 2nd can be used, for example in diesel engines.

Der Katalysator 1 weist einen Grundkörper 3 auf, der das Stützgerüst des Katalysators 1 bildet. Der Grundkörper 3 kann zum Beispiel als Wabenkörper ausgebildet sein und er kann beispielsweise aus einem keramischen Material bestehen. Alternativ kann der Grundkörper 3 beispielsweise auch aus einem Metallsubstrat gebildet sein. Der Grundkörper 3 kann auch als Rußfilter ausgeführt sein, um eventuell in den Abgasen enthaltene Rußpartikel herauszufiltern.The catalyst 1 has a basic body 3rd on the support structure of the catalyst 1 forms. The basic body 3rd For example, it can be designed as a honeycomb body and it can consist, for example, of a ceramic material. Alternatively, the base body 3rd for example, can also be formed from a metal substrate. The basic body 3rd can also be designed as a soot filter to filter out any soot particles contained in the exhaust gases.

Auf dem Grundkörper 3 ist eine aus Zirkoniumoxid bestehende Trägerschicht 4 aufgebracht. Das Zirkoniumoxid der Trägerschicht 4 weist eine Kristallstruktur auf, deren amorpher Anteil mindestens 20% beträgt. Das Zirkoniumoxid der Trägerschicht 4 kann auch andere bzw. näher spezifizierte amorphe Anteile aufweisen, von denen zu einem späteren Zeitpunkt einige beschrieben sind.On the base body 3rd is a carrier layer made of zirconium oxide 4th upset. The zirconium oxide of the carrier layer 4th has a crystal structure, the amorphous portion of which is at least 20%. The zirconium oxide of the carrier layer 4th can also have other or more specified amorphous components, some of which will be described later.

Die Trägerschicht 4 ist porös ausgeführt und weist vorzugsweise eine mittels der BET-Methode ermittelte Oberfläche von 90 - 500 m2/g auf. Durch diese große Oberfläche der Trägerschicht wird die Wirksamkeit des Katalysators 1 unterstützt.The backing layer 4th is porous and preferably has a surface area of 90-500 m 2 / g determined by the BET method. This large surface area of the support layer increases the effectiveness of the catalyst 1 supported.

Auf der dem Grundkörper 3 abgewandten Seite der Trägerschicht 4 ist dieselbe mit einer Beschichtung 5 versehen, die im vorliegenden Fall einen Promotor 5a und eine aktive Komponente 5b aufweist. Der Promotor 5a, der als thermischer Stabilisator wirken kann, besteht vorzugsweise aus Wolframoxid. Vorzugsweise ist das das Wolframoxid zu 100% amorph.On the the main body 3rd opposite side of the carrier layer 4th is the same with a coating 5 provided a promoter in the present case 5a and an active component 5b having. The promoter 5a , which can act as a thermal stabilizer, is preferably made of tungsten oxide. Preferably the tungsten oxide is 100% amorphous.

Des Weiteren ist es zu bevorzugen, wenn Wolfram in einem Verhältnis zu der mittels der BET-Methode ermittelten Oberfläche der Trägerschicht 4 von 0,0016 gWolfram/m2 - 0,00001 gWolfram /m2, vorzugsweise 0,0013 gWolfram /m2 - 0,0001 gWolfram /m2, noch bevorzugter 0,0010 - 0,0002 gWolfram /m2, noch bevorzugter 0,0008 - 0,0003 gWolfram /m2, am bevorzugtesten 0,0006-0,0003 gWolfram/m2, vorliegt.Furthermore, it is preferred if tungsten is in a ratio to the surface of the carrier layer determined using the BET method 4th from 0.0016 g tungsten / m 2 - 0.00001 g tungsten / m 2 , preferably 0.0013 g tungsten / m 2 - 0.0001 g tungsten / m 2 , more preferably 0.0010 - 0.0002 g tungsten / m 2 , more preferably 0.0008-0.0003 g tungsten / m 2 , most preferably 0.0006-0.0003 g tungsten / m 2 .

Die aktive Komponente 5b besteht im vorliegenden Fall aus einem Edelmetall, insbesondere aus Platin oder Palladium, es wäre grundsätzlich jedoch auch denkbar, Gold, Silber, Rhodium oder Iridium als die aktive Komponente 5b einzusetzen. Die Beschichtung 5 der Trägerschicht 4 ist in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel so aufgebaut, dass an der dem Grundkörper 3 abgewandten Seite, also an einer äußeren Oberfläche 1a des Katalysators 1, sowohl der Promotor 5a als auch die aktive Komponente 5b vorliegen.The active component 5b consists in the present case of a noble metal, in particular of platinum or palladium, but it would in principle also be conceivable to use gold, silver, rhodium or iridium as the active component 5b to use. The coating 5 the backing layer 4th is in the in 1 illustrated embodiment constructed so that on the base body 3rd opposite side, i.e. on an outer surface 1a of the catalyst 1 , both the promoter 5a as well as the active component 5b available.

Bei einem Verfahren zur Herstellung des Katalysators 1 wird auf den Grundkörper 3 die Trägerschicht 4 aus Zirkoniumoxid, die eine Kristallstruktur mit einem amorphen Anteil von mindestens 20% aufweist, aufgebracht. Auf die Trägerschicht 4 werden der Promotor 5a und die aktive Komponente 5b aufgebracht. Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform des Katalysators 1 werden dabei der Promotor 5a und die aktive Komponente 5b gemeinsam auf die Trägerschicht 4 aufgebracht. Dadurch kommt es zu einer Vermischung der aktiven Komponente 5b und dem Promotor 5a. Die aktive Komponente 5b kann dabei in Form einzelner Partikel in dem Promotor 5a vorliegen, wie dies in 1 angedeutet ist. Da die weiteren erforderlichen Schritte bei der Herstellung des Katalysators 1 auf an sich bekannte Art und Weise erfolgen können, wird an dieser Stelle nicht näher darauf eingegangen.In a process for producing the catalyst 1 is on the main body 3rd the backing layer 4th made of zirconium oxide, which has a crystal structure with an amorphous content of at least 20%. On the backing 4th become the promoter 5a and the active component 5b upset. At the in 1 illustrated embodiment of the catalyst 1 become the promoter 5a and the active component 5b together on the carrier layer 4th upset. This causes the active component to mix 5b and the promoter 5a . The active component 5b can be in the form of individual particles in the promoter 5a are present as this in 1 is indicated. As the further steps required in the preparation of the catalyst 1 can be done in a manner known per se, it is not discussed in more detail here.

Bei der Ausführungsform des Katalysators 1 gemäß 2 wird zunächst der Promotor 5a und anschließend die aktive Komponente 5b auf die Trägerschicht 4 aufgebracht. Es handelt sich demnach um zwei voneinander getrennte Schichten, die gemeinsam die Beschichtung 5 bilden.In the embodiment of the catalyst 1 according to 2nd first becomes the promoter 5a and then the active component 5b on the carrier layer 4th upset. Accordingly, there are two separate layers that together form the coating 5 form.

Eine weitere Ausführungsform des Katalysators 1 ist in 3 dargestellt. Diese stellt im Prinzip eine Kombination der Ausführungsformen der 1 und 2 dar, da die aktive Komponente 5b sowohl wie gemäß 1 in der durch den Promotor 5a gebildeten Schicht vorhanden ist als auch wie gemäß 2 als zusätzliche Schicht auf diese Schicht aufgebracht ist. Wiederum bilden der Promotor 5a und die aktive Komponente 5b die Beschichtung 5.Another embodiment of the catalyst 1 is in 3rd shown. In principle, this represents a combination of the embodiments of FIG 1 and 2nd because the active component 5b both as according to 1 in by the promoter 5a formed layer is present as well as according to 2nd is applied as an additional layer to this layer. Again form the promoter 5a and the active component 5b the coating 5 .

4 zeigt eine Vorrichtung 6 zur selektiven NOx-Reduktion in den Abgasen des im vorliegenden Fall als Wasserstoffverbrennungsmotor ausgeführten Verbrennungsmotors 2, mit der es möglich ist, ein Verfahren zur selektiven NOx-Reduktion in den Abgasen des Verbrennungsmotors 2 durchzuführen, wobei den Abgasen Wasserstoff als Reduktionsmittel zugeführt wird. Durch die Zufuhr von Wasserstoff zu den Abgasen ergibt sich an dem Katalysator 1 eine unmittelbare Umsetzung von NOx mit H2 zu N2 und H2O. 4th shows a device 6 for selective NO x reduction in the exhaust gases of the internal combustion engine designed as a hydrogen internal combustion engine in the present case 2nd , with which it is possible to implement a method for selective NO x reduction in the exhaust gases of the internal combustion engine 2nd carry out, the exhaust gases being supplied with hydrogen as a reducing agent. The supply of hydrogen to the exhaust gases results in the catalyst 1 an immediate conversion of NO x with H 2 to N 2 and H 2 O.

Um die Abgase direkt reduzieren zu können, ist der Katalysator 1 in einer von dem Verbrennungsmotor 2 ausgehenden Abgasleitung 7 angeordnet. Die Vorrichtung 6 weist in diesem Fall des Weiteren eine Wasserstoffzuführeinrichtung 8 auf, die grundsätzlich dazu dient, im Falle einer zu geringen Menge an Wasserstoff in den Abgasen des Verbrennungsmotors 2 eine zusätzliche Menge an Wasserstoff in die Abgasleitung 7 einzuleiten. Die Wasserstoffzuführeinrichtung 8 weist einen beispielsweise in Form eines Druckzylinders ausgebildeten Behälter 9 auf, der mit einer Zuführöffnung 10 versehen ist. An die Zuführöffnung 10 ist eine Zuführleitung 11 angeschlossen, welche zu der Abgasleitung 7 führt. Die Zuführöffnung 10 ist mit einem Verschluss 12 versehen, dessen Öffnungszustand mittels einer Steuereinrichtung 13 verändert werden kann. Die Steuereinrichtung 13 ist wiederum mit einem in der Abgasleitung 7 angeordneten NOx-Sensor 14 sowie mit einem weiteren Sensor 15 verbunden, der in einer zu dem Verbrennungsmotor 2 führenden Ansaugleitung 16 angeordnet ist. Der weitere Sensor 15 ist im vorliegenden Fall als an sich bekannter Luftmassensensor ausgebildet und dient dazu, den zu dem Verbrennungsmotor 2 strömenden Luftmassenstrom zu messen. Alternativ könnte der Sensor 15 auch in der Abgasleitung 7 angeordnet sein. In nicht dargestellter Weise ist es möglich, einen Temperatursensor in der Abgasleitung 7 vorzusehen. Gegebenenfalls könnte auch auf einen der beiden Sensoren 14 oder 15 verzichtet werden.In order to be able to reduce the exhaust gases directly, the catalyst is 1 in one of the internal combustion engine 2nd outgoing exhaust pipe 7 arranged. The device 6 in this case also has a hydrogen supply device 8th on, which basically serves in the event of an insufficient amount of hydrogen in the exhaust gases of the internal combustion engine 2nd an additional amount of hydrogen in the exhaust pipe 7 initiate. The hydrogen supply device 8th has a container, for example in the form of a pressure cylinder 9 on that with a feed opening 10th is provided. To the feed opening 10th is a feed line 11 connected which to the exhaust pipe 7 leads. The feed opening 10th is with a clasp 12th provided, its open state by means of a control device 13 can be changed. The control device 13 is in turn with one in the exhaust pipe 7 arranged NO x sensor 14 and with another sensor 15 connected to the internal combustion engine in a 2nd leading suction pipe 16 is arranged. The further sensor 15 is in the present case as a known air mass sensor trained and serves to the internal combustion engine 2nd to measure the flowing air mass flow. Alternatively, the sensor could 15 also in the exhaust pipe 7 be arranged. In a manner not shown, it is possible to have a temperature sensor in the exhaust pipe 7 to provide. If necessary, it could also be on one of the two sensors 14 or 15 to be dispensed with.

Durch die beiden Sensoren 14 und 15 ist es möglich, einen bestimmten Zustand in der Abgasleitung 7 und/oder in der Ansaugleitung 16 festzustellen und an die Steuereinrichtung 13 weiterzuleiten. Die Steuereinrichtung 13 ist dadurch in der Lage, den sich in dem Behälter 9 befindlichen Wasserstoff in Abhängigkeit der NOx-Konzentration innerhalb der Abgasleitung 7 oder in Abhängigkeit eines durch den Verbrennungsmotor 2 strömenden Luftmassenstroms in die Abgasleitung 7 zu leiten. Auf diese Weise kann zum Beispiel bei einem Beschleunigungsvorgang, bei dem ein höherer NOx-Ausstoß zu erwarten ist, eine größere Menge an Wasserstoff in die Abgasleitung 7 eingeleitet werden. Es ist auch möglich, die erforderlichen Daten in einem Kennfeld in der Steuereinrichtung 13 zu hinterlegen, um zu bestimmten Zeiten eine erhöhte Menge an Wasserstoff zuzuführen. Selbstverständlich kann der Wasserstoff auch kontinuierlich in die Abgasleitung 7 geleitet werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, eine bestimmte Grundmenge an Wasserstoff in die Abgasleitung 7 zu leiten und bei einem durch einen der Sensoren 14 oder 15 festgestellten Bedarf die eingeleitete Wasserstoffmenge zu erhöhen.By the two sensors 14 and 15 it is possible to have a certain condition in the exhaust pipe 7 and / or in the intake line 16 determine and to the control device 13 forward. The control device 13 is thereby able to find itself in the container 9 located hydrogen depending on the NO x concentration within the exhaust pipe 7 or depending on one by the internal combustion engine 2nd flowing air mass flow into the exhaust pipe 7 to lead. In this way, for example, during an acceleration process in which a higher NO x emission is expected, a larger amount of hydrogen can enter the exhaust pipe 7 be initiated. It is also possible to record the required data in a map in the control device 13 to be deposited in order to supply an increased amount of hydrogen at certain times. Of course, the hydrogen can also flow continuously into the exhaust pipe 7 be directed. Another option is to add a certain amount of hydrogen to the exhaust pipe 7 to lead and at one by one of the sensors 14 or 15 determined need to increase the amount of hydrogen introduced.

Um ein zusätzliches Tanken von Wasserstoff überflüssig zu machen, kann die Wasserstoffzuführeinrichtung 8 mit einer nicht dargestellten Einrichtung zur Reformierung von Kohlenwasserstoff oder Derivaten davon zu Wasserstoff aus dem für den Verbrennungsmotor 2 vorgesehenem Kraftstoff, also einem Reformer oder dergleichen, verbunden sein. Der benötigte Wasserstoff könnte auch mittels Elektrolyse einer geeigneten Substanz, z.B. Wasser, hergestellt werden. Diese beiden Möglichkeiten werden hierin unter dem Begriff „H2-Generator“ zusammengefasst. Der Behälter 9 kann in einem solchen Fall entweder weggelassen oder durch einen kleineren Zwischenspeicher ersetzt werden. Bei der bevorzugten Ausführung des Verbrennungsmotors 2 als Wasserstoffverbrennungsmotors ist eine solche Einrichtung nicht erforderlich, weil der benötigte Wasserstoff direkt aus dem Kraftstofftank entnommen werden kann und kein zusätzlicher Betriebsstoff für die Abgasnachbehandlung benötigt wird.In order to make an additional refueling of hydrogen unnecessary, the hydrogen supply device can 8th with a device, not shown, for reforming hydrocarbon or derivatives thereof into hydrogen from that for the internal combustion engine 2nd provided fuel, that is, a reformer or the like. The hydrogen required could also be produced by electrolysis of a suitable substance, for example water. Both of these possibilities are summarized here under the term “H 2 generator”. The container 9 In such a case, it can either be omitted or replaced by a smaller buffer. In the preferred embodiment of the internal combustion engine 2nd Such a device is not required as a hydrogen internal combustion engine because the required hydrogen can be taken directly from the fuel tank and no additional fuel is required for the exhaust gas aftertreatment.

Statt der Zuführung des Wasserstoffs aus der Wasserstoffzuführeinrichtung 8 in die Abgasleitung 7 ist es im Falle einer zu geringen Menge an Wasserstoff in den Abgasen auch möglich, den Wasserstoff direkt in den Verbrennungsmotor 2 zuzuführen. Hierzu kann zwar eine separate Wasserstoffzuführeinrichtung 8 verwendet werden, einfacher ist es jedoch, die zusätzlich erforderliche Menge an Wasserstoff zu der zur Verbrennung ohnehin erforderlichen Menge zu addieren und direkt in den Verbrennungsmotor 2 einzuleiten. Für eine solche Verlängerung der Einblasdauer sind insbesondere stöchiometrisch betriebene Motoren geeignet, bei denen die zusätzlich eingespritzte Menge an Wasserstoff nicht mit verbrannt wird.Instead of supplying the hydrogen from the hydrogen supply device 8th into the exhaust pipe 7 If the amount of hydrogen in the exhaust gases is too low, it is also possible to transfer the hydrogen directly into the internal combustion engine 2nd feed. A separate hydrogen supply device can be used for this purpose 8th are used, however, it is simpler to add the additionally required amount of hydrogen to the amount already required for the combustion and directly into the internal combustion engine 2nd initiate. Stoichiometrically operated engines, in which the additionally injected amount of hydrogen is not also burned, are particularly suitable for such an extension of the blowing time.

Besonders zu bevorzugen ist es dabei, dass die in den Verbrennungsmotor 2 eingeleitete zusätzliche Menge an Wasserstoff unmittelbar vor dem Öffnen wenigstens eines nicht dargestellten Auslassventils des Verbrennungsmotors 2 eingeleitet wird. Eine solche zusätzliche Einblasung sollte während des Ausschiebens, also bei geöffnetem Auslassventil, erfolgen. Die in den Verbrennungsmotor 2 eingeleitete zusätzliche Menge an Wasserstoff kann pro Arbeitstakt des Verbrennungsmotors 2 weniger als 10%, vorzugsweise weniger als 2%, noch bevorzugter weniger als 1%, der zum Betrieb des Wasserstoffverbrennungsmotors 2 eingespritzten Menge an Wasserstoff pro Arbeitstakt des Verbrennungsmotors 2 betragen. Es handelt sich demnach um eine sehr geringe Menge an zusätzlich benötigtem Wasserstoff.It is particularly preferred that the internal combustion engine 2nd initiated additional amount of hydrogen immediately before opening at least one exhaust valve, not shown, of the internal combustion engine 2nd is initiated. Such additional injection should take place during extension, i.e. with the outlet valve open. The in the internal combustion engine 2nd The additional amount of hydrogen introduced per working cycle of the internal combustion engine 2nd less than 10%, preferably less than 2%, more preferably less than 1%, to operate the hydrogen internal combustion engine 2nd injected amount of hydrogen per work cycle of the internal combustion engine 2nd be. It is therefore a very small amount of additionally required hydrogen.

Des Weiteren entsteht beim Betrieb des Verbrennungsmotors 2 üblicherweise ein sogenannter Schlupf, also Wasserstoff, der in den Brennräumen nicht verbrannt wird. Dieser Schlupf wird ebenfalls für die oben beschriebene Umsetzung von NOx mit H2 zu N2 und H2O an dem Katalysator 1 eingesetzt, was möglicherweise auch den Verzicht auf die Wasserstoffzuführeinrichtung 8 ermöglicht.Furthermore, arises during the operation of the internal combustion engine 2nd Usually a so-called slip, i.e. hydrogen, which is not burned in the combustion chambers. This slip is also used for the above-described reaction of NO x with H 2 to N 2 and H 2 O on the catalyst 1 used, which may also dispense with the hydrogen supply device 8th enables.

Wenn der Grundkörper 3 des Katalysators 1 nicht gleichzeitig als Rußfilter ausgebildet ist, wie dies oben kurz beschrieben wird, so kann in Strömungsrichtung des Abgases in der Abgasleitung 7 dem Katalysator 1 ein nicht dargestellter Partikelfilter vor- oder nachgeschaltet werden. Der Grundkörper 3 dient somit lediglich zum Halten der Trägerschicht 4.If the main body 3rd of the catalyst 1 is not designed at the same time as a soot filter, as is briefly described above, it can in the flow direction of the exhaust gas in the exhaust pipe 7 the catalyst 1 a particle filter, not shown, can be connected upstream or downstream. The basic body 3rd thus only serves to hold the carrier layer 4th .

In nicht dargestellter Weise kann die in 4 beschriebene Vorrichtung 6 auch für industrielle Anwendungen, beispielsweise für ein Kraftwerk, eingesetzt werden.In a manner not shown, the in 4th described device 6 can also be used for industrial applications, for example for a power plant.

In den 5 bis 25 sind verschiedene Diagramme dargestellt, die verschiedene Eigenschaften unterschiedlicher Ausführungsformen des Katalysators 1 aufzeigen. Die unterschiedlichen Ausführungen des Katalysators 1 sind in den Figuren mit den Bezeichnungen I, II, III, IV, V, VI, VII und VIII angegeben. Des Weiteren sind in der nachfolgenden Tabelle verschiedene Eigenschaften der Katalysatoren I - VIII angegeben. Nr. des Katalysators I II III IV V VI VII VIII Adsorptionshysterese n.a. mittel n.a. gering mittel gering Sehr gering gering Durschn. Porendurchmesser [nm] n.a. 8,4 n.a. 5 5,8 2,5 3,4 10,9 BET-Oberfläche [m2/g] 138 46 187 154 122 277 92 107 Kalzinierungstemperatur [°C] 500 750 400 450 550 Nicht kalz. Nicht kalz. Nicht kalz. Kalzinierungsdauer [h] 1 6 1 1 1 Nicht kalz. Nicht kalz. Nicht kalz. Pt-Verteilung [%] 11 45 30 78 38 39 CO-DRIFTS Signal [cm-1] 2079 2089 2074 2077 2081 2071 2087 2080 Hauptphase ZrO2 vor der Kalzinierung (XRD) tetraragogonal tetraragogonal tetraragogonal tetraragogonal tetraragogonal Amo rph Amo rph monokli n Monoklinisches ZrO2 vor der Kalzinierung [Gew.-%] 5 2 23 19 11 Amo rph amor ph 5 Hauptphase ZrO2 nach der Kalzinierung (XRD) tetraragogonal tetraragogonal tetraragogonal tetraragogonal tetraragogonal Amo rph tetraragogonal monokli n Hauptphase ZrO2 (Raman) tet/ mkl tet/ mkl tet/ mkl tet/ mkl tet/ mkl tet/ mkl amor ph monokli n Theoretische Monolage WO3 [%] 42 126 31 38 47 21 63 54 Aufgefundenes kristallines WO3 nein Ja nein nein nein nein Nein Nein Amorphes WO3-Signal [cm-1] 834, 958 996 834, 965 834, 968 834, 962 950 880, 986 852, 975 X(NOx)max [%] 70 50 76 72 60 78 80 60 y(N2O)max [ppm] 6,1 6,0 4,2 4,0 3,5 5,6 1,0 3,0 In dem Diagramm von 5 ist auf der Abszisse der maximale NOx-Umsatz in % und auf der Ordinate die mittels der BET-Methode ermittelte Oberfläche der Trägerschicht 4 der jeweiligen Katalysatoren I - VIII in m2/g dargestellt. Der jeweilige Wert, den die einzelnen Katalysatoren I - VIII aufweisen, ist in dem Diagramm mittels eines Punkts dargestellt. Daraus ergibt sich, dass eine mittels der BET-Methode ermittelte Oberfläche bzw. BET-Oberfläche von größer 90 m2/g für einen hohen NOx-Umsatz vorteilhaft ist. In the 5 to 25th different diagrams are shown, the different properties of different embodiments of the catalyst 1 point out. The different versions of the catalyst 1 are labeled in the figures I. , II , III , IV , V , VI , VII and VIII specified. Furthermore, various properties of the catalysts are in the table below I - VIII specified. No. of the catalyst I. II III IV V VI VII VIII Adsorption hysteresis n / A medium n / A low medium low Very little low Average Pore diameter [nm] n / A 8.4 n / A 5 5.8 2.5 3.4 10.9 BET surface area [m 2 / g] 138 46 187 154 122 277 92 107 Calcination temperature [° C] 500 750 400 450 550 Not calc. Not calc. Not calc. Calculation time [h] 1 6 1 1 1 Not calc. Not calc. Not calc. Pt distribution [%] 11 45 30th 78 38 39 CO-DRIFTS signal [cm-1] 2079 2089 2074 2077 2081 2071 2087 2080 Main phase ZrO 2 before calcination (XRD) tetraragogonal tetraragogonal tetraragogonal tetraragogonal tetraragogonal Amo rph Amo rph monokli n Monoclinic ZrO 2 before calcination [% by weight] 5 2nd 23 19th 11 Amo rph cupid ph 5 Main phase ZrO 2 after calcination (XRD) tetraragogonal tetraragogonal tetraragogonal tetraragogonal tetraragogonal Amo rph tetraragogonal monokli n Main phase ZrO 2 (Raman) tet / mkl tet / mkl tet / mkl tet / mkl tet / mkl tet / mkl cupid ph monokli n Theoretical monolayer WO 3 [%] 42 126 31 38 47 21 63 54 Crystalline WO 3 found No Yes No No No No No No Amorphous WO 3 signal [cm-1] 834, 958 996 834, 965 834, 968 834, 962 950 880, 986 852, 975 X (NOx) max [%] 70 50 76 72 60 78 80 60 y (N2O) max [ppm] 6.1 6.0 4.2 4.0 3.5 5.6 1.0 3.0 In the diagram of 5 is on the abscissa of the maximum NO x conversion in% and on the ordinate the determined by the BET method surface of the carrier layer 4th of the respective catalysts I - VIII shown in m 2 / g. The respective value that the individual catalysts I - VIII is shown in the diagram by means of a point. It follows from this that a surface or BET surface area of greater than 90 m 2 / g determined by means of the BET method is advantageous for a high NOx conversion.

In sämtlichen Diagrammen geben die von dem Punkt ausgehenden horizontalen Linien die möglichen Messabweichungen für die jeweilige Messgröße an.In all diagrams, the horizontal lines starting from the point indicate the possible measurement deviations for the respective measurement variable.

6 zeigt die niedrigste maximale N2O-Bildung in ppm auf der Abszisse und auf der Ordinate die mittels der BET-Methode ermittelte Oberfläche der Trägerschicht 4 der jeweiligen Katalysatoren I - VIII in m2/g. Es wird deutlich, dass zwischen einer hohen BET-Oberfläche und der maximalen N2O-Bildung kein direkter Zusammenhang besteht, da sowohl Materialien mit einer hohen als auch mit einer niedrigeren BET-Oberfläche in geringem Maße N2O produzieren. Exemplarisch kann dies an den Proben II und VI gezeigt werden, da Probe II einen sehr geringen NOx-Umsatz und Probe VI einen sehr hohen NOx-Umsatz hat. Beide Proben haben jedoch eine vergleichbare N2O-Produktion. Die in 5 gezeigte Optimierung des Materials zu einer hohen BET-Oberfläche und somit hohen NOx-Umsätzen ist damit angeraten. 6 shows the lowest maximum N 2 O formation in ppm on the abscissa and on the ordinate the surface of the carrier layer determined using the BET method 4th of the respective catalysts I - VIII in m 2 / g. It becomes clear that there is no direct connection between a high BET surface area and the maximum N 2 O formation, since materials with a high and with a lower BET surface area produce N 2 O to a small extent. This can be exemplified by the samples II and VI be shown as sample II a very low NOx conversion and sample VI has a very high NOx conversion. However, both samples have comparable N 2 O production. In the 5 The optimization of the material shown to a high BET surface area and thus high NOx conversions is recommended.

In den beiden 7 und 8 ist auf der Ordinate jeweils die Verteilung der aktiven Komponente 5b, in diesem Fall Platin, in % dargestellt. Die Abszisse des Diagramms von 7 stellt, wie in 5, den maximalen NOx-Umsatz in % dar. Analog zu 6 ist bei dem Diagramm von 8 auf der Abszisse die niedrigste maximale N2O-Bildung in ppm dargestellt. Daraus ergibt sich, dass eine Verteilung der aktiven Komponente 5b von mehr als 20% anzustreben ist, auch wenn die in 8 gezeigte maximale N2O-Bildung nicht eindeutig mit der Verteilung korreliert. In both 7 and 8th is the distribution of the active component on the ordinate 5b , in this case platinum, shown in%. The abscissa of the diagram of 7 represents, as in 5 , represents the maximum NO x conversion in%. Analogous to 6 is in the diagram of 8th the lowest maximum N 2 O formation in ppm is shown on the abscissa. It follows that there is a distribution of the active component 5b is to be striven for by more than 20%, even if the in 8th maximum N 2 O formation shown is not clearly correlated with the distribution.

In 9 ist der maximale NOx-Umsatz in % für die Katalysatoren I - VIII auf der Abszisse und das CO-Signal in 1/cm auf der Ordinate dargestellt. Dagegen zeigt 10 die niedrigste maximale N2O-Bildung in ppm auf der Abszisse und wiederum das CO-Signal in 1/cm (Wellenzahl) auf der Ordinate. Das CO-Signal ist ein Indikator für die elektronische Aktivierung des aktiven Zentrums, in diesem Fall Platin, durch die Wolframoxid/Zirkoniumoxid-Trägerschicht. Ein CO-Signal bei geringer Wellenzahl zeigt eine starke Aktivierung des aktiven Zentrums. Wie in 9 gezeigt wird, korreliert eine starke elektronische Aktivierung stark mit einem hohen NOx-Umsatz. Es ist daher vorteilhaft, wenn die Trägerschicht 4 aus ZrO2 so gewählt wird, dass ein geringes CO-Signal erhalten wird. Die in 10 gezeigte maximale N2O-Bildung korreliert wiederum nicht eindeutig mit dem CO-Signal. Es ist daher angeraten, das Material hinsichtlich eines geringen CO-Signales respektive einer starken elektronischen Aktivierung des aktiven Zentrums zu optimieren.In 9 the maximum NOx conversion in% for the catalysts I - VIII shown on the abscissa and the CO signal in 1 / cm on the ordinate. In contrast shows 10th the lowest maximum N 2 O formation in ppm on the abscissa and again the CO signal in 1 / cm (wavenumber) on the ordinate. The CO signal is an indicator of the electronic activation of the active center, in this case platinum, by the tungsten oxide / zirconium oxide carrier layer. A CO signal at low wavenumber shows a strong activation of the active center. As in 9 strong electronic activation is strongly correlated with high NOx conversion. It is therefore advantageous if the carrier layer 4th is selected from ZrO 2 so that a low CO signal is obtained. In the 10th maximum N 2 O formation shown again does not clearly correlate with the CO signal. It is therefore advisable to optimize the material with regard to a low CO signal or a strong electronic activation of the active center.

Die 11 bis 14 zeigen jeweils den maximalen NOx-Umsatz in % auf der Abszisse. Auf der Ordinate sind jeweils unterschiedliche Kristallstrukturen der Trägerschicht 4 dargestellt.The 11 to 14 each show the maximum NO x conversion in% on the abscissa. Different crystal structures of the carrier layer are in each case on the ordinate 4th shown.

Dabei ist in 11 die kristalline Phase des Zirkoniumoxids in Gewichts-% und in 12 die amorphe Phase des Zirkoniumoxids in Gewichts-%, jeweils auf der Ordinate, angegeben. Aus diesen Diagrammen ergibt sich, dass es zu bevorzugen ist, dass der amorphe Anteil der Kristallstruktur der Trägerschicht 4 mindestens 20 beträgt. Besonders zu bevorzugen ist es, wenn der amorphe Anteil mindestens 60 beträgt. Bei dem wirksamsten Katalysator VII beträgt der amorphe Anteil der Kristallstruktur der Trägerschicht 4 72 %.Here is in 11 the crystalline phase of the zirconium oxide in% by weight and in 12th the amorphous phase of the zirconium oxide in% by weight, in each case on the ordinate. From these diagrams it follows that it is preferable that the amorphous part of the crystal structure of the carrier layer 4th is at least 20. It is particularly preferable if the amorphous fraction is at least 60. The most effective catalyst VII is the amorphous part of the crystal structure of the carrier layer 4th 72%.

13 zeigt auf der Ordinate den Anteil von monoklinem Zirkoniumoxid in Gewichts-% und 14 den Anteil von tetragonalem Zirkoniumoxid in Gewichts-%. Aus diesen Diagrammen ergibt sich, dass der Anteil der tetragonalen bzw. monoklinen Kristallstruktur keinen entscheidenden Einfluss auf den NOx-Umsatz hat, so lange der amorphe Anteil mindestens 20 %, vorzugsweise mindestens 60 %, beträgt. 13 shows on the ordinate the proportion of monoclinic zirconium oxide in% by weight and 14 the proportion of tetragonal zirconium oxide in% by weight. It can be seen from these diagrams that the proportion of the tetragonal or monoclinic crystal structure has no decisive influence on the NOx conversion, as long as the amorphous proportion is at least 20%, preferably at least 60%.

15 zeigt ein Diagramm, in dem auf der Abszisse der maximale NOx-Umsatz in % und auf der Ordinate der Anteil an Wolfram an der Trägerschicht 4 bzw. das Verhältnis von Wolfram an der mittels der BET-Methode ermittelten Oberfläche der Trägerschicht 4 zeigt. Daraus ist zu erkennen, dass es zu bevorzugen ist, wenn das oben beschriebene Verhältnis von Wolfram an der Trägerschicht 4 in den dort angegebenen Bereichen liegt. 15 shows a diagram in which the abscissa represents the maximum NOx conversion in% and the ordinate the proportion of tungsten to the carrier layer 4th or the ratio of tungsten on the surface of the carrier layer determined using the BET method 4th shows. From this it can be seen that it is preferable if the above-described ratio of tungsten on the carrier layer 4th lies in the areas specified there.

In 16 sind Raman-Verschiebungen der Katalysatoren I - VIII dargestellt. Daraus geht hervor, dass das Wolframoxid in einer nicht kristallinen, also amorphen Form, vorliegen sollte. Besonders zu bevorzugen ist es, wenn das Wolframoxid zu 100 % amorph ist.In 16 are Raman shifts of the catalysts I - VIII shown. This shows that the tungsten oxide should be in a non-crystalline, i.e. amorphous form. It is particularly preferable if the tungsten oxide is 100% amorphous.

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Claims (10)

Katalysator (1) zur Verwendung bei einer selektiven NOx-Reduktion in NOx-haltigen Abgasen unter Zuführung von Wasserstoff zu den Abgasen, mit einem Grundkörper (3), einer auf dem Grundkörper (3) aufgebrachten Trägerschicht (4) aus Zirkoniumoxid, einer auf der Trägerschicht (4) aufgebrachten aktiven Komponente (5b) und einem auf der Trägerschicht (4) aufgebrachten Promotor (5a), dadurch gekennzeichnet, dass das Zirkoniumoxid der Trägerschicht (4) eine Kristallstruktur aufweist, deren amorpher Anteil mindestens 20% beträgt.Catalyst (1) for use in selective NO x reduction in NO x -containing exhaust gases while supplying hydrogen to the exhaust gases, with a base body (3), a support layer (4) made of zirconium oxide applied to the base body (3), one on the carrier layer (4) applied active component (5b) and a promoter (5a) applied on the carrier layer (4), characterized in that the zirconium oxide of the carrier layer (4) has a crystal structure, the amorphous proportion of which is at least 20%. Katalysator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Promotor (5a) aus Wolframoxid besteht.Catalyst (1) after Claim 1 , characterized in that the promoter (5a) consists of tungsten oxide. Katalysator (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wolframoxid zu 100% amorph ist.Catalyst (1) after Claim 2 , characterized in that the tungsten oxide is 100% amorphous. Katalysator (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass Wolfram in einem Verhältnis zu der mittels der BET-Methode ermittelten Oberfläche der Trägerschicht (4) von 0,0016 gWolfram/m2-0,00001 gWolfram /m2, vorzugsweise 0,0013 gWolfram /m2 - 0,0001 gWolfram /m2, noch bevorzugter 0,0010 - 0,0002 gWolfram /m2, noch bevorzugter 0,0008 - 0,0003 gWolfram /m2, am bevorzugtesten 0,0006-0,0003 gWolfram/m2, vorliegt.Catalyst (1) after Claim 1 , 2nd or 3rd , characterized in that tungsten in a ratio to the surface of the carrier layer (4) determined by means of the BET method of 0.0016 g tungsten / m 2 -0.00001 g tungsten / m 2 , preferably 0.0013 g tungsten / m 2 to 0.0001 g tungsten / m 2, more preferably from 0.0010 to 0.0002 g tungsten / m 2, more preferably from 0.0008 to 0.0003 g tungsten / m 2, at 0.0006 to 0.0003 bevorzugtesten g of tungsten / m 2 . Katalysator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Zirkoniumoxid der Trägerschicht (4) eine Kristallstruktur aufweist, deren amorpher Anteil mindestens 60% beträgt.Catalyst (1) according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that the zirconium oxide of the carrier layer (4) has a crystal structure, the amorphous proportion of which is at least 60%. Katalysator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (4) eine mittels der BET-Methode ermittelte Oberfläche von 90 - 500 m2/g aufweist.Catalyst (1) according to one of the Claims 1 to 5 , characterized in that the carrier layer (4) has a surface area of 90-500 m 2 / g determined by the BET method. Katalysator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Komponente (5b) aus Platin oder Palladium besteht.Catalyst (1) according to one of the Claims 1 to 6 , characterized in that the active component (5b) consists of platinum or palladium. Verfahren zur Herstellung eines Katalysators (1) zur selektiven NOx-Reduktion in NOx-haltigen Abgasen, dadurch gekennzeichnet, dass auf einen Grundkörper (3) eine Trägerschicht (4) aus Zirkoniumoxid mit einer Kristallstruktur mit einem amorphen Anteil von mindestens 20% aufgebracht wird, und dass auf die Trägerschicht (4) eine aktive Komponente (5b) und ein Promotor (5a) aufgebracht werden.Method for producing a catalyst (1) for selective NO x reduction in exhaust gases containing NO x , characterized in that a support layer (4) made of zirconium oxide with a crystal structure with an amorphous content of at least 20% is applied to a base body (3) and that an active component (5b) and a promoter (5a) are applied to the carrier layer (4). Vorrichtung (6) zur selektiven NOx-Reduktion in NOx-haltigen Abgasen aus Verbrennungsmotoren (1), mit einem in einer Abgasleitung (7) angeordneten Katalysator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, und mit einer Wasserstoffzuführeinrichtung (8) zur Einbringung von Wasserstoff in die Abgasleitung (7) und/oder in den Verbrennungsmotor (2).Device (6) for selective NO x reduction in NO x -containing exhaust gases from internal combustion engines (1), with a catalyst (1) arranged in an exhaust pipe (7) according to one of the Claims 1 to 7 , and with a hydrogen supply device (8) for introducing hydrogen into the exhaust pipe (7) and / or into the internal combustion engine (2). Verfahren zur selektiven NOx-Reduktion in NOx-haltigen Abgasen mittels einer Vorrichtung (6) nach Anspruch 9, wobei im Falle einer zu geringen Menge an Wasserstoff in den Abgasen in die von den Abgasen durchströmte Abgasleitung (7) und/oder in den Verbrennungsmotor (2) Wasserstoff eingeleitet wird.Method for selective NO x reduction in NO x -containing exhaust gases by means of a device (6) Claim 9 If, in the case of an insufficient amount of hydrogen in the exhaust gases, hydrogen is introduced into the exhaust line (7) through which the exhaust gases flow and / or into the internal combustion engine (2).
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