DE102020129182A1 - Verfahren zur herstellung von katalysatorsystemen - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung von Katalysatorsystemen umfassen das Passivieren eines Gamma-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörpers, um einen Theta-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörper zu erhalten, und das Aufbringen von katalytischem Metall auf den passivierten Theta-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörper. Das Passivieren kann das Erhitzen beinhalten, optional in Anwesenheit von Dampf. Das Gamma-Phasen-Aluminiumoxid kann Lanthan-dotiertes Gamma-Phasen-Aluminiumoxid sein und kann aus etwa 0,1 - 55 Gew.-% Lanthan sein. Das katalytische Metall kann Rhodium, Kupfer oder Nickel umfassen. Das katalytische Metall kann Rhodium oder Nickel sein, und das katalytische Metall kann auf den passivierten Theta-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörper in einer Beladung von etwa 0,1 - 10 Gew.-% aufgebracht werden. Das katalytische Metall kann Kupfer sein, und das katalytische Metall kann auf den passivierten Theta-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörper in einer Beladung von etwa 0,1 - 30 Gew.-% aufgebracht werden. Der Gamma-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörper kann zu mindestens etwa 90 Gew.- % aus Gamma-Phasen-Aluminiumoxid sein. Der passivierte Theta-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörper kann zu mindestens etwa80 Gew.-% aus Theta-Phasen-Aluminiumoxid sein.

Description

  • EINLEITUNG
  • Katalysatoren auf Basis von Platingruppenmetallen (PGMs), insbesondere Platin, Palladium und Rhodium, und anderen unedlen Promotoren (z.B. Cer, Lanthan, Nickel) werden üblicherweise in Abgasnachbehandlungssystemen für Benzin- und Dieselfahrzeuge verwendet, um verschiedene Bestandteile des Abgases, wie Kohlenmonoxid (CO), unverbrannte und teilweise verbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) und Stickstoffmonoxid (NO), umzusetzen (z.B. zu oxidieren). Solche Katalysatoren bestehen typischerweise aus einem System von einem oder mehreren Metallen oder Metalllegierungen, die auf einem Substrat (z.B. einem Aluminiumoxid-Substrat) angeordnet sind. Katalysatorsubstrate mit großer Oberfläche (z.B. Gamma-Phasen-Aluminiumoxid) werden als wünschenswerte Substrate angesehen. Die Aufrechterhaltung einer geeigneten katalytischen Aktivität über die Lebensdauer eines katalytischen Systems bleibt eine Herausforderung.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Verfahren zur Herstellung von Katalysatorsystemen werden bereitgestellt und umfassen das Bereitstellen eines Gamma-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörpers, das Passivieren des Gamma-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörpers, um einen Theta-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörper zu erhalten, und das Aufbringen von katalytischem Metall auf den passivierten Theta-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörper. Das Passivieren kann das Erhitzen des Gamma-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörpers auf eine Temperatur von etwa 700 °C bis etwa 1.200 °C umfassen. Der Gamma-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörper kann in Gegenwart von Dampf erhitzt werden. Das Passivieren kann das Erhitzen des Gamma-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörpers von etwa 700 °C auf etwa 1.200 °C mit einer Rampenrate von weniger als etwa 10 °C/Minute umfassen. Das Passivieren kann das Erhitzen des Gamma-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörpers in einem Temperaturbereich von etwa 700 °C bis etwa 1.200 °C für mindestens etwa 7,5 Stunden umfassen. Der Gamma-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörper kann aus Lanthan-dotiertem Gamma-Phasen-Aluminiumoxid sein. Der Gamma-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörper kann aus etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 55 Gew.-% Lanthan sein. Das Passivieren kann das Erhitzen des Lanthan-dotierten Gamma-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörpers auf eine Temperatur von etwa 800 °C bis etwa 1.300 °C umfassen. Das katalytische Metall kann durch Imprägnierung bzw. Tränkung auf den passivierten Theta-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörper aufgebracht werden. Das katalytische Metall kann durch Ausfällung auf den passivierten Theta-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörper aufgebracht werden. Das katalytische Metall kann Rhodium, Kupfer oder Nickel enthalten. Das katalytische Metall kann Rhodium oder Nickel sein, und das katalytische Metall kann auf den passivierten Theta-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörper in einer Beladung von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% aufgebracht werden. Das katalytische Metall kann Kupfer sein, und das katalytische Metall kann auf den passivierten Theta-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörper in einer Beladung von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 30 Gew.-% aufgebracht werden. Der Gamma-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörper kann zu mindestens etwa 90 Gew.-% aus Gamma-Phasen-Aluminiumoxid sein. Der passivierte Theta-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörper kann zu mindestens etwa 80 Gew.-% aus Theta-Phasen-Aluminiumoxid sein.
  • Verfahren zur Herstellung von Dreiwege-Katalysatorsystemen werden bereitgestellt und umfassen das Bereitstellen eines Gamma-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörpers, das Passivieren des Gamma-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörpers, um einen Theta-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörper zu erhalten, das Aufbringen von katalytischem Metall auf den passivierten Theta-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörper, um einen katalytischen Körper zu bilden, und das Anordnen des katalytischen Körpers innerhalb eines Gehäuses mit einem Einlass und einem Auslass. Der Gamma-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörper kann zu mindestens etwa 90 Gew.-% aus Gamma-Phasen-Aluminiumoxid sein, und der passivierte Theta-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörper kann zu mindestens etwa 80 Gew.-% aus Theta-Phasen-Aluminiumoxid sein. Das katalytische Metall kann Rhodium oder Nickel sein, und das katalytische Metall kann auf den passivierten Theta-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörper in einer Beladung von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% aufgebracht werden. Das katalytische Metall kann Kupfer sein, und das katalytische Metall kann auf den passivierten Theta-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörper in einer Beladung von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 30 Gew.-% aufgebracht werden. Der Gamma-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörper kann Lanthan-dotiertes Gamma-Phasen-Aluminiumoxid enthalten, und der Gamma-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörper kann zu etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 55 Gew.-% aus Lanthan sein.
  • Weitere Aufgaben, Vorteile und neuartige Merkmale der beispielhaften Ausführungsformen ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen und den begleitenden Zeichnungen.
  • Figurenliste
    • 1 stellt ein Abgasbehandlungssystem, das zu einem Verbrennungsmotor gehört, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen dar;
    • 2 stellt eine Katalysatorvorrichtung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen dar;
    • 3 stellt eine schematische perspektivische Ansicht einer Katalysatorvorrichtung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen dar;
    • 4 stellt eine schematische Ansicht eines Lebenszyklus für ein herkömmliches Katalysatorsystem gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen dar;
    • 5 stellt ein Verfahren zur Herstellung eines Katalysatorsystems gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen dar;
    • 6A stellt Röntgenbeugungsmuster für einen unpassivierten Träger und einen passivierten Träger gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen dar;
    • 6B stellt ein Balkendiagramm dar, in dem die Daten für die Anspringtemperatur für zwei Katalysatorvorrichtungen gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen verglichen werden;
    • 7A stellt Röntgenbeugungsmuster für einen unpassivierten Träger und einen passivierten Träger gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen dar; und
    • 7B stellt ein Balkendiagramm dar, in dem die Daten für die Anspringtemperatur für zwei Katalysatorvorrichtungen gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen verglichen werden.
  • DETAILLIERTE 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 Abbildungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; einige Merkmale können übertrieben oder minimiert sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind spezifische strukturelle und funktionale Details, die hier offenbart werden, nicht als einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um den Fachmann zu lehren, die vorliegende Erfindung auf verschiedene Weise einzusetzen. Wie Fachleute wissen, können verschiedene Merkmale, die unter Bezugnahme auf eine der Figuren dargestellt und beschrieben sind, mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren anderen Figuren dargestellt sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht ausdrücklich dargestellt oder beschrieben sind. Die abgebildeten Merkmalskombinationen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen dar. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die zu den Lehren dieser Offenbarung konsistent sind, könnten jedoch für bestimmte Anwendungen oder Implementierungen erwünscht sein.
  • Hier werden Katalysatorsysteme und zugehörige Vorrichtungen bereitgestellt, die eine hohe katalytische Aktivität und eine effiziente Nutzung der katalytischen Metalle gewährleisten. Die Katalysatorsysteme verwenden Katalysatorträger mit geringerer Oberfläche, um eine verbesserte katalytische Aktivität und eine geringere Deaktivierung des Katalysators bei längerem Gebrauch zu erreichen.
  • 1 zeigt eine katalytische Vorrichtung 60, die zu einem Abgasbehandlungssystem 50 gehört. Das System 50 ist so konfiguriert, dass es das vom Verbrennungsmotor (ICE) 20 erzeugte Abgas 30 empfängt und behandelt. Die katalytische Vorrichtung 60 repräsentiert im Allgemeinen eng gekoppelte katalytische Vorrichtungen, Unterflurkatalysatoren und andere, wie sie Fachleuten bekannt sein werden. Ein Gemisch aus Luft und Kraftstoff 10 tritt in den ICE 20 ein und verlässt ihn als Abgas 30. Der Abgasstrom 40 durchläuft dann das Abgasbehandlungssystem 50. Im Allgemeinen ist die katalytische Vorrichtung 60 so konfiguriert, dass sie eine Umwandlung (z.B. Oxidation) von Bestandteilen von Abgas 30, einschließlich Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoffen (HC) und einer oder mehrerer Stickoxidarten bzw. -Spezies (NOx) bewirkt. Wie hier verwendet, bezieht sich „NOx“ auf ein oder mehrere Stickoxide. NOx-Spezies können NyOx-Spezies enthalten, wobei y > 0 und x > 0. Nicht einschränkende Beispiele von Stickoxiden können NO, NO2, N2O, N2O2, N2O3, N2O4, und N2O5 umfassen.
  • Der ICE 20 kann für den Antrieb eines Fahrzeugs (nicht gezeigt) konfiguriert sein. Der Mehrzylinder-Hubkolben-ICE 20 kann z.B. ein Ladungskompressions-ICE (d.h. Diesel-ICE) oder ein Funkenzündungs-Direkteinspritzungs-ICE (d.h. Benzin-ICE, der eine zylinderinterne Kraftstoffeinspritzung enthalten kann oder nicht) sein. Jeder dieser ICE-Typen umfasst einen oder mehrere Zylinder 22, in denen sich hin- und hergehende Kolbenböden 24 befinden, die mit einer Kurbelwelle 26 verbunden sind. Oberhalb jedes Kolbenbodens 24 befindet sich ein Brennraum 28, der durch ein Einlassventil 12 in bestimmten Zeitintervallen ein Gemisch aus Luft und Kraftstoff 10 erhält. Die funken- oder kompressionsunterstützte Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemisches 10 in den Brennkammern 28 bewirkt eine schnelle lineare Abwärtsbewegung ihrer jeweiligen Kolbenböden 24, um die Drehung der Kurbelwelle 26 anzutreiben. Durch die reaktive Aufwärtsbewegung jedes Kolbenbodens 24 werden die Verbrennungsprodukte aus jeder Brennkammer 28 durch ein Auslassventil 14 ausgestoßen.
  • Der ICE 20 wird mit einem kontinuierlichen Luftstrom mit einem variablen Massendurchsatz versorgt, der auf die Leistungsanforderungen des ICEs reagiert (z.B. Drücken und Niederdrücken eines Fußpedals, das sich in der Fahrerkabine befindet, um die gewünschte Fahrzeuggeschwindigkeit und -beschleunigung zu erreichen). Eine Kraftstoffmenge wird intermittierend in einen ankommenden Luftstrom unmittelbar vor dem ICE 20 eingespritzt, wie es z.B. von einer ICE-Steuerstrategie vorgegeben wird, um ein Gemisch aus Luft und Kraftstoff zu erzeugen, das das momentan gewünschte Luft-Kraftstoff-Massenverhältnis aufweist (nicht gezeigt). Zum Beispiel kann die Menge des in den einströmenden Luftstrom eingespritzten Kraftstoffs so geregelt werden, dass ein mageres Luft-Kraftstoff-Massenverhältnis oder ein fettes Luft-Kraftstoff-Massenverhältnis aufrechterhalten wird oder zwischen den beiden Zuständen umgeschaltet wird.
  • Das Gemisch aus Luft und Kraftstoff 10 tritt in einen Ansaugkrümmer 16 des ICEs 20 ein und tritt als Abgas 30 durch den Abgaskrümmer 18 aus. Der Ansaugkrümmer 16 fördert das Luft-Kraftstoff-Gemisch 10 über das Einlassventil 12 in die Brennräume 28 und dann zu den Zylindern 22 des ICEs 20. Das Luft-Kraftstoff-Gemisch 10 wird komprimiert, erhitzt und dadurch gezündet, um die hin- und hergehenden Kolbenböden 24 in den Zylindern 22 des ICEs 20 anzutreiben. Die verbrauchten Verbrennungsprodukte werden durch die Auslasshübe der Kolben 24 aus den Zylindern 22 des ICEs 20 ausgestoßen und durch das Auslassventil 14 in den Abgaskrümmer 18 geleitet. Der Abgaskrümmer 18 liefert die Verbrennungsprodukte als Abgas 30 an das Abgasbehandlungssystem 50. Das Behandlungssystem 50 leitet das Abgas 30 zur effektiven Umwandlung von Bestandteilen des Abgases 30 (z.B. CO, HC, und NOx) an die katalytische Vorrichtung 60.
  • Wie in 1-3 gezeigt, tritt der Abgasstrom 40 in die katalytische Vorrichtung 60 ein und durchströmt den Trägerkörper 70, der z.B. durch Wände 74 definierte Durchflusskanäle 72 umfassen kann. Die katalytische Vorrichtung 60 (z.B. ein Drei-Wege-Katalysator) umfasst Katalysatormaterial, das auf dem Trägerkörper 70 angeordnet ist. Der Trägerkörper 70 ist ein allgemein poröses, nichtmetallisches Material (d.h. ein Material, das kein elementares Metall oder eine Metalllegierung ist), wie z.B. ein Metalloxid- oder Keramikmaterial. Wie weiter unten beschrieben wird, enthält der Trägerkörper 70 Theta-Phasen-Aluminiumoxid. Durch die große Oberfläche der Kanalwände 74 entsteht ein ausreichender Kontakt zwischen dem Abgas 30 und dem Katalysatormaterial für die gewünschten Reaktionen (z.B. Oxidations- und Reduktionsreaktionen). Das Abgasbehandlungssystem 50 leitet dann den Abgasstrom 40 aus der katalytischen Vorrichtung 60 als behandelten Abgasstrom 42 weiter. Das behandelte Abgas 32 wird aus dem Behandlungssystem 50 durch eine Entlüftung 52 (z.B. einen Fahrzeugauspuff), z.B. an die Umgebungsatmosphäre, ausgestoßen.
  • Eine geeignete katalytische Vorrichtung 60 für die hier offenbarten katalytischen Reaktionen ist in 2 dargestellt und wird innerhalb des Abgasbehandlungssystems 50 mit Rohren angeschlossen, um einen kontinuierlichen Durchgang des Abgasstroms 40 durch dieses zu ermöglichen. Die katalytische Vorrichtung 60 kann ferner einen Mantel oder Behälter 62 umfassen, der ein gegenüber den Abgasbestandteilen im Wesentlichen inertes Material enthält, wie z.B. rostfreier Stahl oder anderen Metalllegierungen. Der Behälter 62 ist mit einem stromaufwärts gelegenen Einlass 64 für den Eintritt von Abgas 30 und einem stromabwärts gelegenen Auslass 66 für den Austritt von Abgas 30 geformt. Der Körper des Behälters 62 kann im Querschnitt rund oder elliptisch sein, obwohl auch andere Konfigurationen praktikabel sind, und ist so bemessen, dass er einen Trägerkörper 70 aufnehmen kann, auf den Katalysatormaterial aufgebracht ist. In 2 sind ein keilförmiger Teil des Behälters 62 und der katalysatorbeschichtete Trägerkörper 70 weggeschnitten worden, um die durch sie verlaufenden inneren Kanäle 72 besser sichtbar zu machen.
  • Der Trägerkörper 70 ist in 2 als wabenförmiger Monolith mit einer Einlassseite 76 und einer Auslassseite 78 quer zum Abgasstrom 40 (d.h. entlang der Strömungsachse A) dargestellt und enthält mehrere kleine, parallele Durchflusskanäle 72, die durch Wände 74 definiert sind, die sich in Längsrichtung von der Einlassseite 76 zur Auslassseite 78 des Trägerkörpers erstrecken. Da jeder Kanal 72 einen kleinen Querschnitt hat, um den Abgasstrom 40 einzulassen, ist die Einlassseite 76 des Trägerkörpers so bemessen, dass eine geeignete Anzahl von Kanälen 72 vorhanden ist, um gemeinsam eine gewünschte Durchflussrate für den Abgasstrom 40 und einen ausreichenden Kontakt zwischen dem Abgas 30 und dem Katalysatormaterial zu gewährleisten. Zum Beispiel kann der Trägerkörper 70 etwa vierhundert Kanäle 72 pro Quadratzoll der Querschnittsfläche der Einlassseite 76 enthalten. Während sich extrudierte keramische, wabenförmige Monolithen für Katalysatoren als effektiv und haltbar erwiesen haben, können auch andere Katalysatorträgerkörper aus anderen Materialien und mit anderen geometrischen Konfigurationen verwendet werden und sind für die hier beschriebenen Ausführungsformen von Bedeutung.
  • Das Katalysatormaterial wird im Allgemeinen auf dem Trägerkörper 70 angeordnet. In einem nicht einschränkenden Beispiel werden, wie in 3 dargestellt, kleine Partikel des Katalysatormaterials, dargestellt durch die Schicht 80, an den Wänden 74 der Durchflusskanäle 72 des Trägerkörpers 70 abgelagert. Typische Katalysatorsysteme leiden unter Migration, Verkapselung und Deaktivierung der katalytischen Metalle nach längerem Gebrauch, was zumindest teilweise auf die Verwendung und/oder Bildung von Alpha-Phasen-Aluminiumoxid als Katalysatorträgermaterial zurückzuführen ist. 4 stellt einen Lebenszyklus 100 (oder einen teilweisen Lebenszyklus) eines üblichen Katalysatorsystems dar, wobei ein ungealtertes Katalysatorsystem 101 vorgesehen ist und einen Alpha-Phasen-Aluminiumoxidträger 70 mit darauf angeordnetem katalytischem Metall 110 umfasst. Ein gealtertes Katalysatorsystem 102 weist einen großen Anteil an katalytischem Metall 112 auf, das unter der Oberfläche des Alpha-Phasen-Aluminiumoxidträgers 70 eingekapselt ist, so dass ein geringerer Anteil des katalytischen Metalls 110 für die katalytische Aktivität zur Verfügung steht.
  • Dementsprechend werden hier Verfahren zur Herstellung katalytischer Systeme bereitgestellt, die die katalytische Langlebigkeit solcher Systeme verbessern. 5 stellt ein Verfahren 200 zur Herstellung eines katalytischen Systems (z.B. katalytische Vorrichtung 60) dar, umfassend das Bereitstellen 210 eines Gamma-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörpers 70, das Passivieren 220 des Gamma-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörpers 70, um einen Theta-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörper 221 zu ergeben, und das Aufbringen 230 eines katalytischen Metalls 110 auf den passivierten Theta-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörper 221, um einen katalytischen Körper 231 zu bilden. Das Verfahren 200 kann ferner das Anordnen 240 des katalytischen Körpers 231 innerhalb einer Hülle 262 umfassen, um eine katalytische Vorrichtung 260 zu bilden. Die katalytische Vorrichtung kann einen Einlass und einen Auslass haben, in dem Abgas aufgenommen bzw. ausgestoßen werden kann. Die katalytische Vorrichtung 260 kann einen Dreiwegekatalysator umfassen. Das Passivieren 220 kann das Erhitzen des Gamma-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörpers 70 auf eine Temperatur zwischen etwa 700 °C bis etwa 1.200 °C, etwa 800 °C bis etwa 1.100 °C oder etwa 900 °C bis etwa 1.000 °C umfassen. Das Passivieren 220 kann das Erhitzen des Gamma-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörpers 70 in Gegenwart von Dampf umfassen. Das Passivieren 220 kann das Erhitzen des Gamma-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörpers 70 von etwa 700 °C auf etwa 1.200 °C mit einer Rampenrate von weniger als etwa 10 °C/Minute umfassen. Die Rampenrate kann weniger als etwa 10 °C/Minute, weniger als etwa 7,5 °C/Minute oder weniger als etwa 5 °C/Minute betragen. In einigen Ausführungsformen kann die Rampenrate etwa 1 °C/Minute bis etwa 5 °C/Minute betragen. Langsamere Rampengeschwindigkeiten können bevorzugt sein, um nach der Passivierung 220 eine geeignete Menge an Oberfläche im Theta-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörper 221 beizubehalten. Das Passivieren 220 kann das Erhitzen des Gamma-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörpers 70 in einem Temperaturbereich von etwa 700 °C bis etwa 1.200 °C für mindestens etwa 7,5 Stunden, mindestens etwa 10 Stunden oder mindestens etwa 15 Stunden umfassen.
  • In einigen Ausführungsformen kann der Gamma-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörper 70 Lanthan-dotiertes Gamma-Phasen-Aluminiumoxid enthalten. Zum Beispiel kann der Gamma-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörper 70 etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 55 Gew.-%, etwa 0,5 Gew.-% bis etwa 25 Gew.-% oder etwa 1 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-% Lanthan enthalten. In Ausführungsformen, in denen der Gamma-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörper 70 Lanthan-dotiertes Gamma-Phasen-Aluminiumoxid umfasst, kann das Passivieren 220 das Erhitzen des Lanthan-dotierten Gamma-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörpers 70 auf eine Temperatur zwischen etwa 800 °C bis etwa 1.300 °C, etwa 900 °C bis etwa 1.200 °C oder etwa 1.000 °C bis etwa 1.100 °C umfassen.
  • Das katalytische Metall 110 kann auf den passivierten 220 Theta-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörper 221 z.B. durch Imprägnierung bzw. Tränkung oder Ausfällung aufgebracht werden. Das katalytische Metall 110 kann Rhodium, Kupfer oder Nickel enthalten. In Ausführungsformen, in denen das katalytische Metall 110 Rhodium oder Nickel ist, kann das Metall auf den passivierten Theta-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörper 221 mit einer Beladung von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% aufgebracht werden. Eine „Beladung“ ist die Menge an katalytischem Metall im Verhältnis zum Gesamtgewicht des katalytischen Metalls und des passivierten Theta-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörpers 221 (z.B. 10 Gramm Rhodium auf einem 90-Gramm-Träger sind mit einer Beladung von 10 % aufgebracht). In Ausführungsformen, in denen das katalytische Metall 110 Kupfer ist, kann das Metall auf den passivierten Theta-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörper 221 in einer Beladung von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 30 Gew.-% aufgebracht werden.
  • Gamma-Phasen-Aluminiumoxid wird allgegenwärtig in den gesamten Katalysatorbezogenen Industrien verwendet, da es sich um die Aluminiumoxidphase mit der höchsten Oberfläche und Kristallinität handelt. Dementsprechend ist der Gamma-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörper 70 (z.B. wie von einem Lieferanten bereitgestellt) im Wesentlichen Gamma-Phasen-Aluminiumoxid. Zum Beispiel kann der Gamma-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörper 70 aus mindestens etwa 80 Gew.-% Gamma-Phase, mindestens etwa 90 Gew.-% Gamma-Phase oder mindestens etwa 99 Gew.-% Gamma-Phase bestehen. Nach geeigneter Passivierung 220 kann der passivierte Theta-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörper 221 mindestens etwa 80 Gew.-% Theta-Phase, mindestens etwa 90 Gew.-% Theta-Phase oder mindestens etwa 99 Gew.-% Theta-Phase aufweisen.
  • BEISPIEL 1:
  • Es wurden zwei Gamma-Phasen-Aluminiumoxid-Träger erworben. Jeder Träger wurde durch Erhitzen auf 550 °C in 10 % relativer Luftfeuchtigkeit für 5 Stunden vorbehandelt, um Träger mit Oberflächen von 145 m2/g zu erhalten. Ein Träger wurde durch Erhitzen auf 950 °C in Luft mit 10 % Luftfeuchtigkeit für 5 Stunden passiviert, um einen passivierten Träger mit einer Oberfläche von 91 m2/g zu erhalten. 6A zeigt gemessene Röntgenbeugungs (XRD)-Muster für den unpassivierten Träger 601 und den passivierten Träger 602. Der nicht passivierte Träger 601 enthielt im Wesentlichen nur Gamma-Phasen-Aluminiumoxid, und der passivierte Träger 602 enthielt im Wesentlichen nur Theta-Phasen-Aluminiumoxid. Rhodium wurde auf jeden der Träger mit einer Beladung von 0,5 Gew.-% aufgebracht, und die Katalysatorsysteme wurden bei 1050 °C für 12 Stunden bei 10 % Luftfeuchtigkeit hydrothermal gealtert.
  • Das Gamma-Phasen-Katalysatorsystem 611 und das Theta-Phasen-Katalysatorsystem 612 wurden einem Gasstrom ausgesetzt, der 1 % CO, 1000 ppm NO, 667 ppm C3H6, 333 ppm C3H8, 3 % H2O, 12 % CO2, 0,92 % O2 und den Rest N2 enthielt. Das Gas wurde mit einer Durchflussrate von 1 L/min zugeführt, mit λ = 1, GHSV = 288 000 h-1, und die Temperatur des Gasstroms und der Katalysatorsysteme wurde schrittweise erhöht, um die Umwandlung der Spezies im Gasstrom bei unterschiedlichen Temperaturen zu messen. 6B zeigt die Anspringtemperaturen (d.h. die Temperatur, bei der ein Katalysator 50 % einer bestimmten gasförmigen Spezies umwandelt) des Gamma-Phasen-Katalysatorsystems 611 und des Theta-Phasen-Katalysatorsystems 612 für CO, NO und C3H6. Es ist zu erkennen, dass das Theta-Phasen-Katalysatorsystem 612 niedrigere Anspringtemperaturen für jedes von CO, NO und C3H6 aufweist und überraschenderweise trotz der geringeren Oberfläche seines Theta-Phasen-Katalysatorträgers 602 im Vergleich zum Gamma-Phasen-Katalysatorträger 601 besser abschneidet als das Gamma-Phasen-Katalysatorsystem 611.
  • BEISPIEL 2:
  • Zwei Lanthan-dotierte Gamma-Phasen-Aluminiumoxid-Träger wurden mit einer Lanthan-Beladung von etwa 4,5 Gew.-% erworben. Jeder Träger wurde durch Erhitzen auf 550 °C in 10 % relativer Luftfeuchtigkeit für 5 Stunden vorbehandelt, um Träger mit Oberflächen von 199 m2/g zu erhalten. Ein Träger wurde durch Erhitzen auf 1050 °C in Luft mit 10 % Luftfeuchtigkeit für 5 Stunden passiviert, um einen passivierten Träger mit einer Oberfläche von 87 m2/g zu erhalten. 7A zeigt gemessene XRD-Muster für den unpassivierten Träger 701 und den passivierten Träger 702. Der nicht passivierte Träger 701 enthielt im Wesentlichen nur Gamma-Phasen-Aluminiumoxid, und der passivierte Träger 702 enthielt im Wesentlichen nur Theta-Phasen-Aluminiumoxid. Rhodium wurde auf jeden der Träger mit einer Beladung von 0,5 Gew.-% aufgebracht, und die Katalysatorsysteme wurden bei 1050 °C für 12 Stunden bei 10 % Luftfeuchtigkeit hydrothermal gealtert.
  • Das Gamma-Phasen-Katalysatorsystem 711 und das Theta-Phasen-Katalysatorsystem 712 wurden einem Gasstrom ausgesetzt, der 1 % CO, 1000 ppm NO, 667 ppm C3H6, 333 ppm C3H8, 3 % H2O, 12 % CO2, 0,92 % O2 und den Rest N2 enthielt. Das Gas wurde mit einer Durchflussrate von 1 L/min zugeführt, mit λ = 1, GHSV = 288 000 h-1, und die Temperatur des Gasstroms und der Katalysatorsysteme wurde schrittweise erhöht, um die Umwandlung der Spezies im Gasstrom bei unterschiedlichen Temperaturen zu messen. 7B zeigt die Anspringtemperaturen (d.h. die Temperatur, bei der ein Katalysator 50 % einer bestimmten gasförmigen Spezies umwandelt) des Gamma-Phasen-Katalysatorsystems 711 und des Theta-Phasen-Katalysatorsystems 712 für CO, NO und C3H6. Es ist zu erkennen, dass das Theta-Phasen-Katalysatorsystem 712 niedrigere Anspringtemperaturen für jedes von CO, NO und C3H6 aufweist und überraschenderweise trotz der geringeren Oberfläche seines Theta-Phasen-Katalysatorträgers 702 im Vergleich zum Gamma-Phasen-Katalysatorträger 701 besser abschneidet als das Gamma-Phasen-Katalysatorsystem 711.
  • Die Katalysatoren der vorliegenden Erfindung haben auch einen Nutzen für andere Anwendungen als die Behandlung von Diesel- oder Benzin-ICE-Abgasen und können für die Oxidation von gasförmigen oxidierbaren Komponenten im Allgemeinen nützlich sein, wie z.B. unter anderem die Abgase von mit komprimiertem Erdgas betriebenen ICEs, ethanolbetriebenen ICEs, Kompressoren und Gasturbinen.
  • Das Abgas kann anderen, in 1 nicht ausdrücklich dargestellten Geräten oder mechanischen Einrichtungen ausgesetzt werden, die zur Erzeugung des behandelten Abgasstroms 42 beitragen können oder nicht. Zu diesen Vorrichtungen gehören z.B. ein weiterer Oxidationskatalysator, ein Drei-Wege-Katalysator, ein Partikelfilter, eine Katalysatorvorrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR), eine Abgasrückführleitung, eine Turboladerturbine, ein Schalldämpfer und/oder ein Resonator. Fachleute kennen und verstehen diese und viele andere mögliche Zusatzeinrichtungen. Während oben beispielhafte Ausführungsformen beschrieben sind, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen beschreiben, die von den Ansprüchen umfasst sind. Die in der Beschreibung verwendeten Wörter sind eher beschreibend als einschränkend, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von Geist und Umfang der Offenbarung abzuweichen. Wie zuvor beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen zu weiteren Ausführungsformen der Erfindung kombiniert werden, die möglicherweise nicht explizit beschrieben oder abgebildet sind. Während verschiedene Ausführungsformen als vorteilhaft oder bevorzugt gegenüber anderen Ausführungsformen oder Implementierungen des Standes der Technik in Bezug auf eine oder mehrere gewünschte Eigenschaften beschrieben werden könnten, erkennen Fachleute, dass ein oder mehrere Merkmale oder Eigenschaften beeinträchtigt werden können, um die gewünschten Gesamtsystemeigenschaften zu erreichen, die von der spezifischen Anwendung und Implementierung abhängen. Diese Attribute können u. a. Kosten, Festigkeit, Haltbarkeit, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Aussehen, Verpackung, Größe, Gebrauchstauglichkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Montagefreundlichkeit usw. umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt. Somit sind Ausführungsformen, die als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Implementierungen des Standes der Technik in Bezug auf ein oder mehrere Merkmale beschrieben werden, nicht außerhalb des Anwendungsbereichs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Katalysatorsystems, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Gamma-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörpers; Passivieren des Gamma-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörpers, um einen Theta-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörper zu erhalten; und Aufbringen von katalytischem Metall auf den passivierten Theta-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörper.
  2. Verfahren zur Herstellung eines Dreiwege-Katalysatorsystems, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Gamma-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörpers; Passivieren des Gamma-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörpers, um einen Theta-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörper zu erhalten; Aufbringen von katalytischem Metall auf den passivierten Theta-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörper, um einen Katalysatorkörper zu bilden; und Anordnen des Katalysatorkörpers innerhalb eines Gehäuses mit einem Einlass und einem Auslass.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Passivieren das Erhitzen des Gamma-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörpers auf eine Temperatur von etwa 700 °C bis etwa 1.200 °C umfasst.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gamma-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörper in Gegenwart von Dampf erhitzt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gamma-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörper Lanthan-dotiertes Gamma-Phasen-Aluminiumoxid umfasst und das Passivieren das Erhitzen des Lanthan-dotierten Gamma-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörpers auf eine Temperatur von etwa 800 °C bis etwa 1.300 °C umfasst.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das katalytische Metall Rhodium, Kupfer oder Nickel umfasst.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das katalytische Metall Rhodium oder Nickel ist und das katalytische Metall auf den passivierten Theta-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörper in einer Beladung von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% aufgebracht ist.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das katalytische Metall Kupfer ist und das katalytische Metall auf den passivierten Theta-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörper in einer Beladung von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 30 Gew.-% aufgebracht ist.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gamma-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörper mindestens aus etwa 90 Gew.-% Gamma-Phasen-Aluminiumoxid ist und der passivierte Theta-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörper mindestens aus etwa 80 Gew.-% Theta-Phasen-Aluminiumoxid ist.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gamma-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörper Lanthan-dotiertes Gamma-Phasen-Aluminiumoxid umfasst und der Gamma-Phasen-Aluminiumoxid-Trägerkörper etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 55 Gew.-% Lanthan enthält.
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