DE102021203078A1

DE102021203078A1 - Poröse Keramikstruktur und Verfahren zum Herstellen einer porösen Keramikstruktur

Info

Publication number: DE102021203078A1
Application number: DE102021203078.5A
Authority: DE
Inventors: Yunie IZUMI; Kennichi HIDAKA; Akihiro Miura
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2020-03-27
Filing date: 2021-03-26
Publication date: 2021-09-30
Also published as: US20210299640A1; CN113441149A; CN113441149B; US11819830B2; JP7379248B2; JP2021155277A

Abstract

Wenn eine poröse Keramikstruktur Fe enthält, liegt der Fe-Gehalt im Bereich von 0,1 Massen-% bis 3,0 Massen-% bezüglich Fe2O3und wenn die poröse Keramikstruktur Mn enthält, liegt der Mn-Gehalt im Bereich von 0,1 Massen-% bis 3,0 Massen-% bezüglich Mn2O3. Wenn die poröse Keramikstruktur Co gemeinsam mit Fe oder Mn enthält, liegt der Co-Gehalt im Bereich von 0,1 Massen-% bis 3,0 Massen-% bezüglich Co3O4und wenn die poröse Keramikstruktur Co enthält, ohne Fe und Mn zu enthalten, liegt der Co-Gehalt im Bereich von 0,2 Massen-% bis 6,0 Massen-% bezüglich Co3O4. Der Ce-Gehalt liegt im Bereich von 0,1 Massen-% bis 10 Massen-% bezüglich CeO2. Das Fe/Mn/Co-Verhältnis liegt im Bereich von 0,8 bis 9,5. Der Gehalt der Metalloxidpartikel 2 liegt im Bereich von 0,3 Massen-% bis 8,0 Massen-%.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine poröse Keramikstruktur und ein Verfahren zum Herstellen einer porösen Keramikstruktur.
Querverweis auf verwandte Anmeldung
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2020-57683 , eingereicht beim japanischen Patentamt am 27. März 2020, deren Offenbarung hier durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen ist.
Technischer Hintergrund
Die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2017-186220 (Dokument 1) schlägt Cer-Dioxidpartikel vor, in oder an denen ein Übergangsmetalloxid, das Eisen und Mangan enthält, eingebunden ist. Es wird angenommen, dass derartige Cer-Dioxidpartikel z. B. als ein Oxidationskatalysator in einem Dieselpartikelfilter (DPF), der einen Dieseloxidationskatalysator (DOC) und einen Katalysatorrußfilter (CSF) enthält, verwendet werden.
Die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2018-30105 (Dokument 2) und die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2017-171543 (Dokument 3) schlagen Techniken vor, die ermöglichen, dass eine poröse Keramikstruktur, die in einem DPF verwendet wird, oder weitere Maßnahmen eine ausreichende Menge eines Katalysators tragen, um eine katalytische Aktivität aufrechtzuerhalten. In der porösen Keramikstruktur sind Abschnitte von Cer-Dioxidpartikeln in die Struktur aufgenommen und sind die weiteren Abschnitte der Keramikdiodenpartikel zu den Oberflächen von Poren in der Struktur freigelegt. In der porösen Keramikstruktur gemäß Dokument 2 enthalten Abschnitte von Cer-Dioxidpartikeln, die zu den Oberflächen von Poren freigelegt sind, ein Eisenoxid. In der porösen Keramikstruktur gemäß Dokument 3 tragen Abschnitte von Cer-Dioxidpartikeln, die zu den Oberflächen von Poren freigelegt sind, feine Katalysatorpartikel eines Elements der Platingruppe.
Die porösen Keramikstrukturen, die in DPF verwendet werden, oder weitere Maßnahmen müssen sowohl eine Verringerung des Druckverlusts als auch eine Verbesserung der katalytischen Leistungsfähigkeit erreichen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist auf eine poröse Keramikstruktur gerichtet und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine poröse Keramikstruktur mit geringem Druckverlust und einer hohen katalytischen Leistungsfähigkeit zu schaffen.
Eine poröse Keramikstruktur gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält einen porösen Strukturkörper, der im Wesentlichen aus Cordierit gebildet ist, cerhaltige Partikel, die fest am Strukturkörper angebracht sind, und Metalloxidpartikel, die jeweils fest an einer Innenseite einer Pore im Strukturkörper angebracht sind, wobei die Metalloxidpartikel Partikel eines Oxids sind, das eine Spinellstruktur besitzt, die Eisen und/oder Mangan und/oder Kobalt enthält. Die Metalloxidpartikel enthalten einen fest angebrachten Abschnitt, der sich im Strukturkörper befindet, und einen Vorsprung, der mit dem fest angebrachten Abschnitt zusammenhängt und in die Pore vorsteht. Wenn die poröse Keramikstruktur Eisen enthält, liegt ein Eisengehalt im Bereich von 0,1 Massen-% bis 3,0 Massen-% bezüglich Fe₂O₃, wenn die poröse Keramikstruktur Mangan enthält, liegt ein Mangangehalt im Bereich von 0,1 Massen-% bis 3,0 Massen-% bezüglich Mn₂O₃, wenn die poröse Keramikstruktur Kobalt gemeinsam mit Eisen oder Mangan enthält, liegt ein Kobaltgehalt im Bereich von 0,1 Massen-% bis 3,0 Massen-% bezüglich Co₃O₄, wenn die poröse Keramikstruktur Kobalt enthält, ohne Eisen und Mangan zu enthalten, liegt der Kobaltgehalt im Bereich von 0,2 Massen-% bis 6,0 Massen-% bezüglich Co₃O₄, und ein Cer-Gehalt liegt im Bereich von 0,1 Massen-% bis 10 Massen-% bezüglich CeO₂. Ein Verhältnis einer Summe des Eisengehalts bezüglich Fe₂O₃, des Mangangehalts bezüglich Mn₂O₃ und des Kobaltgehalts bezüglich Co₃O₄ zum Cer-Gehalt bezüglich CeO₂ liegt im Bereich von 0,8 bis 9,5. Ein Gehalt der Metalloxidpartikel liegt im Bereich von 0,3 Massen-% bis 8,0 Massen-%.
Mit anderen Worten enthält eine poröse Keramikstruktur gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen porösen Strukturkörper, der im Wesentlichen aus Cordierit gebildet ist, cerhaltige Partikel, die fest am Strukturkörper angebracht sind, und Metalloxidpartikel, die jeweils fest an einer Innenseite einer Pore im Strukturkörper angebracht sind, wobei die Metalloxidpartikel Partikel eines Oxids sind, das eine Spinellstruktur besitzt, die mindestens Eisen oder Mangan unter Eisen, Mangan und Kobalt enthält. Die Metalloxidpartikel enthalten einen fest angebrachten Abschnitt, der sich im Strukturkörper befindet, und einen Vorsprung, der mit dem fest angebrachten Abschnitt zusammenhängt und in die Pore vorsteht. Wenn die poröse Keramikstruktur Eisen enthält, liegt ein Eisengehalt im Bereich von 0,1 Massen-% bis 3,0 Massen-% bezüglich Fe₂O₃, wenn die poröse Keramikstruktur Mangan enthält, liegt ein Mangangehalt im Bereich von 0,1 Massen-% bis 3,0 Massen-% bezüglich Mn₂O₃, wenn die poröse Keramikstruktur Kobalt enthält, liegt ein Kobaltgehalt im Bereich von 0,1 Massen-% bis 3,0 Massen-% bezüglich Co₃O₄, und ein Cer-Gehalt liegt im Bereich von 0,1 Massen-% bis 10 Massen-% bezüglich CeO₂. Ein Verhältnis einer Summe des Eisengehalts bezüglich Fe₂O₃, des Mangangehalts bezüglich Mn₂O₃ und des Kobaltgehalts bezüglich Co₃O₄ zum Cer-Gehalt bezüglich CeO₂ liegt im Bereich von 0,8 bis 9,5. Ein Gehalt der Metalloxidpartikel liegt im Bereich von 0,3 Massen-% bis 8,0 Massen-%.
Eine poröse Keramikstruktur gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält einen porösen Strukturkörper, der im Wesentlichen aus Cordierit gebildet ist, cerhaltige Partikel, die fest am Strukturkörper angebracht sind, und Metalloxidpartikel, die jeweils fest an einer Innenseite einer Pore im Strukturkörper angebracht sind, wobei die Metalloxidpartikel Partikel eines Oxids sind, das eine Spinellstruktur besitzt, die Kobalt enthält und kein Eisen und kein Mangan enthält. Die Metalloxidpartikel enthalten einen fest angebrachten Abschnitt, der sich im Strukturkörper befindet, und einen Vorsprung, der mit dem fest angebrachten Abschnitt zusammenhängt und in die Pore vorsteht. In der porösen Keramikstruktur liegt ein Kobaltgehalt im Bereich von 0,2 Massen-% bis 6,0 Massen-% bezüglich Co₃O₄ und liegt ein Cer-Gehalt im Bereich von 0,1 Massen-% bis 10 Massen-% bezüglich CeO₂. Ein Verhältnis einer Summe des Kobaltgehalts bezüglich Co₃O₄ zum Cer-Gehalt bezüglich CeO₂ liegt im Bereich von 0,8 bis 9,5. Ein Gehalt der Metalloxidpartikel liegt im Bereich von 0,3 Massen-% bis 8,0 Massen-%.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine poröse Keramikstruktur mit geringem Druckverlust und hoher katalytischer Leistungsfähigkeit zu schaffen.
Bevorzugt liegt dann, wenn die poröse Keramikstruktur Eisen enthält, der Eisengehalt im Bereich von 1,5 Massen-% bis 3,0 Massen-% bezüglich Fe₂O₃, wenn die poröse Keramikstruktur Mangan enthält, der Mangangehalt im Bereich von 1,5 Massen-% bis 3,0 Massen-% bezüglich Mn₂O₃, wenn die poröse Keramikstruktur Kobalt gemeinsam mit Eisen oder Mangan enthält, der Kobaltgehalt im Bereich von 1,5 Massen-% bis 3,0 Massen-% bezüglich Co₃O₄, wenn die poröse Keramikstruktur Kobalt enthält, ohne Eisen und Mangan zu enthalten, der Kobaltgehalt im Bereich von 3,0 Massen-% bis 6,0 Massen-% bezüglich Co₃O₄ und liegt der Cer-Gehalt im Bereich von 1,5 Massen-% bis 4,5 Massen-% bezüglich CeO₂. Das Verhältnis der Summe des Eisengehalts bezüglich Fe₂O₃, des Mangangehalts bezüglich Mn₂O₃und des Kobaltgehalts bezüglich Co₃O₄ zum Cer-Gehalt bezüglich CeO₂ liegt im Bereich von 1,0 bis 4,0.
Bevorzugt sind die Metalloxidpartikel Partikel eines Oxids, das eine Spinellstruktur besitzt, die Eisen, Mangan und Sauerstoff enthält, oder Partikel eines Oxids, das eine Spinellstruktur besitzt, die Kobalt und Sauerstoff enthält.
Bevorzugt besitzen die Metalloxidpartikel einen durchschnittlichen Partikeldurchmesser im Bereich von 10 nm bis 1 µm.
Bevorzugt dient die oben beschriebene poröse Keramikstruktur zur Verwendung in einem Dieselpartikelfilter, der Schwebstoffe in einem Abgas, das von einer Dieselkraftmaschine abgegeben wird, sammelt.
Die vorliegende Erfindung ist auch auf ein Verfahren zum Herstellen einer porösen Keramikstruktur gerichtet. Ein Verfahren zum Herstellen einer porösen Keramikstruktur gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält a) ein Anfertigen gekneteten Tons durch Kneten eines Rohmaterials, b) ein Erhalten eines Presskörpers durch Formen des gekneteten Tons und c) ein Brennen des Presskörpers. Das Rohmaterial enthält Cordierit, Cer und Eisen und/oder Mangan und/oder Kobalt. Der Vorgang c) bildet eine poröse Keramikstruktur, die einen porösen Strukturkörper, der im Wesentlichen aus Cordierit gebildet ist, cerhaltige Partikel, die fest am Strukturkörper angebracht sind, und Metalloxidpartikel, die jeweils fest an einer Innenseite einer Pore im Strukturkörper angebracht sind, enthält, wobei die Metalloxidpartikel Partikel eines Oxids sind, das eine Spinellstruktur besitzt, die Eisen und/oder Mangan und/oder Kobalt enthält. Der Vorgang c) enthält c1) ein Erhöhen einer Temperatur des Presskörpers zu einer ersten Temperatur, die kleiner oder gleich einer Flüssigphasenbildungstemperatur ist, c2) ein Erhöhen der Temperatur des Presskörpers von der ersten Temperatur zu einer zweiten Temperatur, die größer als die Flüssigphasenbildungstemperatur und kleiner als eine Kristallisationstemperatur der Metalloxidpartikel ist, c3) ein Erhöhen der Temperatur des Presskörpers von der zweiten Temperatur zu einer dritten Temperatur, die größer als die Kristallisationstemperatur und kleiner oder gleich einer Höchsttemperatur ist, und c4) ein Halten der Temperatur des Presskörpers für einen vorgegebenen Zeitraum bei der Höchsttemperatur. Eine Rate des Erhöhens der Temperatur im Vorgang c2) liegt im Bereich von 100 °C/h bis 200 °C/h.
Bevorzugt liegt eine Rate des Erhöhens der Temperatur im Vorgang c3) im Bereich von 100 °C/h bis 200 °C/h.
Bevorzugt wird die Temperatur des Presskörpers im Vorgang c3) für einen vorgegebenen Zeitraum bei der Kristallisationstemperatur gehalten.
Ein Verfahren zum Herstellen einer porösen Keramikstruktur gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält a) ein Anfertigen gekneteten Tons durch Kneten eines Rohmaterials, b) ein Erhalten eines Presskörpers durch Formen des gekneteten Tons und c) ein Brennen des Presskörpers. Das Rohmaterial enthält Cordierit, Cer und Eisen und/oder Mangan und/oder Kobalt. Der Vorgang c) bildet eine poröse Keramikstruktur, die einen porösen Strukturkörper, der im Wesentlichen aus Cordierit gebildet ist, cerhaltige Partikel, die fest am Strukturkörper angebracht sind, und Metalloxidpartikel, die jeweils fest an einer Innenseite einer Pore im Strukturkörper angebracht sind, enthält, wobei die Metalloxidpartikel Partikel eines Oxids sind, das eine Spinellstruktur besitzt, die Eisen und/oder Mangan und/oder Kobalt enthält. Der Vorgang c) enthält c1) ein Erhöhen einer Temperatur des Presskörpers zu einer ersten Temperatur, die kleiner oder gleich einer Flüssigphasenbildungstemperatur ist, c2) ein Erhöhen der Temperatur des Presskörpers von der ersten Temperatur zu einer zweiten Temperatur, die größer als die Flüssigphasenbildungstemperatur und kleiner als eine Kristallisationstemperatur der Metalloxidpartikel ist, c3) ein Erhöhen der Temperatur des Presskörpers von der zweiten Temperatur zu einer dritten Temperatur, die größer als die Kristallisationstemperatur und kleiner oder gleich einer Höchsttemperatur ist, und c4) ein Halten der Temperatur des Presskörpers für einen vorgegebenen Zeitraum bei der Höchsttemperatur. Eine Rate des Erhöhens der Temperatur im Vorgang c2) liegt im Bereich von 1 °C/h bis 10 °C/h.
Bevorzugt wird die Temperatur des Presskörpers im Vorgang c3) für einen vorgegebenen Zeitraum bei der Kristallisationstemperatur gehalten.
Ein Verfahren zum Herstellen einer porösen Keramikstruktur gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält a) ein Anfertigen gekneteten Tons durch Kneten eines Rohmaterials, b) ein Erhalten eines Presskörpers durch Formen des gekneteten Tons und c) ein Brennen des Presskörpers. Das Rohmaterial enthält Cordierit, Cer und Eisen und/oder Mangan und/oder Kobalt. Der Vorgang c) bildet eine poröse Keramikstruktur, die einen porösen Strukturkörper, der im Wesentlichen aus Cordierit gebildet ist, cerhaltige Partikel, die fest am Strukturkörper angebracht sind, und Metalloxidpartikel, die jeweils fest an einer Innenseite einer Pore im Strukturkörper angebracht sind, enthält, wobei die Metalloxidpartikel Partikel eines Oxids sind, das eine Spinellstruktur besitzt, die Eisen und/oder Mangan und/oder Kobalt enthält. Der Vorgang c) enthält c1) ein Erhöhen einer Temperatur des Presskörpers zu einer ersten Temperatur, die kleiner oder gleich einer Flüssigphasenbildungstemperatur ist, c2) ein Erhöhen der Temperatur des Presskörpers von der ersten Temperatur zu einer zweiten Temperatur, die größer als die Flüssigphasenbildungstemperatur und kleiner als eine Kristallisationstemperatur der Metalloxidpartikel ist, c3) ein Erhöhen der Temperatur des Presskörpers von der zweiten Temperatur zu einer dritten Temperatur, die größer als die Kristallisationstemperatur und kleiner oder gleich einer Höchsttemperatur ist, und c4) ein Halten der Temperatur des Presskörpers für einen vorgegebenen Zeitraum bei der Höchsttemperatur. Im Vorgang c3) wird die Temperatur des Presskörpers für einen vorgegebenen Zeitraum bei der Kristallisationstemperatur gehalten.
Diese und weitere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden genauen Beschreibung der vorliegenden Erfindung, wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen gebracht wird, deutlicher.
Figurenliste

1 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration eines Abgasreinigungssystems veranschaulicht;
2 ist ein Diagramm, das eine poröse Keramikstruktur veranschaulicht;
3 ist eine Schnittansicht der porösen Keramikstruktur;
4 ist ein Diagramm, das einen Teil einer Trennwand in vergrößerter Abmessung veranschaulicht;
5 zeigt ein SEM-Bild der Oberfläche einer Pore in einer Wabenstruktur;
6 zeigt ein vergrößertes SEM-Bild von Metalloxidpartikeln an der Oberfläche einer Pore;
7 ist eine Schnittansicht eines Bereichs in der Nähe eines Metalloxidpartikels;
8 ist ein Diagramm, das eine Prozedur eines Verfahrens zum Herstellen einer porösen Keramikstruktur veranschaulicht;
9 ist ein Diagramm, das eine Prozedur des Verfahrens zum Herstellen einer porösen Keramikstruktur veranschaulicht;
10 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Temperaturprofils während eines Brennschritts zeigt;
11 ist ein Diagramm, das ein Beispiel des Temperaturprofils während des Brennschritts zeigt;
12 ist ein Diagramm, das ein Beispiel des Temperaturprofils während des Brennschritts zeigt;
13 ist ein Diagramm, das ein Beispiel des Temperaturprofils während des Brennschritts zeigt;
14 ist ein Diagramm, das ein Beispiel des Temperaturprofils während des Brennschritts zeigt;
15 zeigt ein SEM-Bild der Oberfläche einer porösen Keramikstruktur gemäß Beispiel 3;
16 zeigt ein vergrößertes SEM-Bild der Oberfläche einer Pore in der porösen Keramikstruktur gemäß Beispiel 3;
17 zeigt ein SEM-Bild der Oberfläche einer porösen Keramikstruktur gemäß Beispiel 4; und
18 zeigt ein vergrößertes SEM-Bild der Oberfläche einer Pore in der porösen Keramikstruktur gemäß Beispiel 4.

Beschreibung der Ausführungsformen
1 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration eines Abgasreinigungssystems 8 veranschaulicht. Das Abgasreinigungssystem 8 ist konfiguriert, ein Abgas, das von einer Kraftmaschine abgegeben wird, zu reinigen. Das Abgasreinigungssystem 8 enthält einen Dieselpartikelfilter (DPF) 81, einen Abgaskatalysator 85 mit selektiver katalytischer Reduktion (SCR-Abgaskatalysator) und einen Harnstoffinjektor 86. Der DPF 81, der Harnstoffinjektor 86 und der SCR-Abgaskatalysator 85 sind in dieser Reihenfolge in der Durchflussrichtung des Abgases angeordnet.
Der DPF 81 enthält einen Dieseloxidationskatalysator (DOC) 82 und einen Katalysatorrußfilter (CSF) 83. Der DOC 82 enthält eine Wabenstruktur, deren Innenraum durch eine Trennwand in mehrere Zellen unterteilt ist, und einen Edelmetalloxidationskatalysator, der durch die Trennwand getragen wird. Der CSF 83 enthält eine Wabenstruktur ähnlich der oben beschriebenen und einen Metalloxidationskatalysator, der durch eine Trennwand der Wabenstruktur getragen wird. Die Details der Struktur des CSF 83 werden später beschrieben. Der Harnstoffinjektor 86 ist in einem Pfad des Abgases zwischen dem DPF 81 und dem SCR-Abgaskatalysator 85 vorgesehen. Der SCR-Abgaskatalysator 85 enthält eine Wabenstruktur ähnlich der oben beschriebenen und einen SCR-Katalysator, der durch eine Trennwand der Wabenstruktur getragen wird.
Das Abgas, das von der Kraftmaschine abgestrahlt wird, strömt in den DOC 82 des DPF 81. Das Abgas enthält Stickstoffmonoxid (NO), Sauerstoff (O₂) und Stickstoff (N₂) und verursacht Reaktionen, die durch die Gleichungen 1 und 2 unten ausgedrückt werden, im DOC 82. Die Reaktion, die durch Gleichung 1 ausgedrückt ist, erzeugt Stickstoffdioxid (NO₂). Es ist festzuhalten, dass SOF (ein löslicher organischer Anteil) in Gleichung 2 unten in Schwebstoffen (PM) im Abgas enthalten ist. 2NO + O₂ = 2NO₂ (Gleichung 1) SOF + O₂ = CO, CO₂, H₂O (Gleichung 2)
Der CSF 83 sammelt Kohlenstoff (Ruß), der im Abgas enthalten ist. Im CSF 83 verursachen der Ruß und NO₂ Reaktionen (Verbrennungsreaktionen), die durch die Gleichungen 3, 4 und 5 unten ausgedrückt werden, und NO wird aus NO₂ erzeugt. C (Ruß) + 2NO₂ = CO₂ + 2NO (Gleichung 3) C (Ruß) + NO₂ = CO + NO (Gleichung 4) C (Ruß) + 1/20₂ + NO₂ = CO₂ + NO (Gleichung 5)
Der Harnstoffinjektor 86 mischt Harnstoff in das Abgas, das vom CSF 83 abgegeben wird, und ein Abgas, das Ammoniak (NH3), das durch eine Zerlegung des Harnstoffs erzeugt wird, enthält, in den SCR-Abgaskatalysator 85 strömt. Im SCR-Abgaskatalysator 85 treten Reaktionen, die durch die Gleichungen 6, 7 und 8 unten ausgedrückt werden, auf, derart, dass NOx, das im Abgas enthalten ist, gereinigt wird. 4NO + 4NH₃ + O₂ = 4N₂ + 6H₂O (Gleichung 6) NO + NO₂ + 2NH₃ = 2N₂ + 3H₂O (Gleichung 7) 6NO₂ + 8NH₃ = 7N₂ + 12H₂O (Gleichung 8)
Die Reaktion, die durch Gleichung 7 ausgedrückt wird, wird als eine schnelle SCR-Reaktion bezeichnet und schreitet bei einer höheren Reaktionsgeschwindigkeit als die Reaktionen, die durch die Gleichungen 6 und 8 ausgedrückt werden, fort. Um den Wirkungsgrad der Reaktionen, die im SCR-Abgaskatalysator 85 auftreten, in Übereinstimmung mit Gleichung 7 zu verbessern, muss das Verhältnis zwischen den Mengen der Substanzen NO und NO₂, die in den SCR-Abgaskatalysator 85 strömen, 1:1 sein. Währenddessen verbraucht der CSF 83 eine große Menge NO₂ in der Verbrennung von Ruß und erzeugt NO, wie durch die Gleichungen 3, 4 und 5, die zuvor beschrieben wurden, ausgedrückt wird.
In Anbetracht dessen enthält das Abgasreinigungssystem 8 gemäß der vorliegenden Erfindung wie der CSF 83 eine poröse Keramikstruktur (die später beschrieben wird), die einen Oxidationskatalysator enthält. Die poröse Keramikstruktur oxidiert einen Teil des NO, um NO₂ zu erzeugen, d. h. wandelt NO in NO₂ um. Dies ermöglicht, dass sich das Verhältnis zwischen den Mengen der Substanzen NO und NO₂, die in den SCR-Abgaskatalysator 85 strömen, 1:1 nähert und sich dadurch der Wirkungsgrad der Reaktionen, die im SCR-Abgaskatalysator 85 auftreten, verbessert.
Wenn eine bestimmte Menge Ruß oder mehr im CSF 83 abgeschieden wird, führt das Abgasreinigungssystem 8 eine Verarbeitung zum Verbrennen des Rußes (d. h. eine Regeneration) durch. In diesem Fall treten ebenfalls die Reaktionen (die Verbrennungsreaktionen), die durch die Gleichungen 3, 4 und 5 ausgedrückt werden, im CSF 83 auf. Wenn eine große Menge Kohlenmonoxid (CO), das durch diese Reaktionen erzeugt wird, in den SCR-Abgaskatalysator 85 strömt, kann der NOx-Reinigungswirkungsgrad des SCR-Abgaskatalysators 85 sinken. Gleiches gilt für der Fall, in dem eine große Menge Kohlenwasserstoff (HC), die in dem Brennstoff, der dem CSF 83 zugeführt wird, enthalten ist, während der Verarbeitung zum Verbrennen des Rußes in den SCR-Abgaskatalysator 85 strömt.
Im Abgasreinigungssystem 8 gemäß der vorliegenden Erfindung wird, da die poröse Keramikstruktur, die den oben genannten Oxidationskatalysator enthält, als der CSF 83 vorgesehen ist, ein Teil von CO in Kohlendioxid (CO₂) oxidiert und wird Teil von HC in CO₂ und H₂O oxidiert. Dies unterdrückt den Strom von CO, HC und weiterer Substanzen in den SCR-Abgaskatalysator 85 und unterdrückt eine Abnahme des NOx-Reinigungswirkungsgrads des SCR-Abgaskatalysators 85.
2 und 3 sind Diagramme, die eine poröse Keramikstruktur 1 in vereinfachter Form veranschaulichen. Die poröse Keramikstruktur 1 ist ein rohrförmiges Element, das in einer Richtung langgestreckt ist, und 2 veranschaulicht die Stirnseite auf einer Seite der porösen Keramikstruktur 1 in der Längsrichtung. 3 ist eine Schnittansicht der porösen Keramikstruktur 1 und veranschaulicht einen Teil eines Schnitts, der in der Längsrichtung der porösen Keramikstruktur 1 aufgenommen wurde.
Die poröse Keramikstruktur 1 enthält eine Wabenstruktur 10, die als ein poröser Strukturkörper dient, cerhaltige Partikel und Metalloxidpartikel, die als ein Oxidationskatalysator dienen. Die Wabenstruktur 10 enthält eine rohrförmige Außenwand 11 und eine Trennwand 12. Die rohrförmige Außenwand 11 besitzt eine Röhrenform, die in der Längsrichtung verläuft. Eine Schnittform der rohrförmigen Außenwand 11, die senkrecht zur Längsrichtung ist, kann z. B. kreisförmig sein oder kann polygonal sein oder eine sonstige Form aufweisen. Die Trennwand 12 ist im Innenraum der rohrförmigen Außenwand 11 vorgesehen und partitioniert den Innenraum in mehrere Zellen 13. Die Wabenstruktur 10 ist eine Zellenstruktur, deren Innenraum durch die Trennwand 12 in mehrere Zellen 13 unterteilt ist. Die rohrförmige Außenwand 11 und die Trennwand 12 sind aus einem porösen Material hergestellt. Wie später beschrieben wird, durchläuft das Abgas Poren der Trennwand 12. Um die Festigkeit der porösen Keramikstruktur 1 zu erhöhen, besitzt die Trennwand 12 z. B. eine Dicke größer oder gleich 50 Mikrometer (µm), bevorzugt größer oder gleich 100 µm und stärker bevorzugt größer oder gleich 150 µm. Um einen Druckverlust in der Trennwand 12 zu verringern, besitzt die Trennwand 12 z. B. eine Dicke kleiner oder gleich 500 µm und bevorzugt kleiner oder gleich 450 µm.
Jede Zelle 13 ist ein Raum, der in der Längsrichtung verläuft. Schnittformen der Zellen 13, die senkrecht zur Längsrichtung sind, können z. B. polygonal sein (z. B. dreieckig, viereckig, fünfeckig oder sechseckig) oder können kreisförmig sein oder eine sonstige Form aufweisen. Die Zellen 13 besitzen typischerweise dieselbe Schnittform. Alternativ können die Zellen 13 Zellen 13 enthalten, die verschiedene Schnittformen besitzen. Um die Oxidationsleistung der porösen Keramikstruktur 1 zu verbessern, ist die Dichte der Zellen (die Zellendichte) z. B. größer oder gleich 8 Zellen pro Quadratzentimeter (Zellen/cm²) und bevorzugt größer oder gleich 15 Zellen/cm². Um verringern Druckverlust, die Zellendichte ist z. B. kleiner oder gleich 95 Zellen/cm² und bevorzugt kleiner oder gleich 78 Zellen/cm².
In der porösen Keramikstruktur 1, die im CSF 83 verwendet wird, strömt das Abgas aus dem DOC 82 mit einem Ende in der Längsrichtung der Wabenstruktur 10 als Einlass und ihrem weiteren Ende als Auslass. Jede einer vorgegebenen Anzahl von Zellen 13 besitzt eine Dichtungseinrichtung 14, die beim Einlassseitenende vorgesehen ist, und jede der verbleibenden Zellen 13 besitzt eine Dichtungseinrichtung 14, die beim Auslassseitenende vorgesehen ist. Deshalb strömt das Abgas, das in die Wabenstruktur 10 strömt, von den Zellen 13, deren Einlassseiten nicht versiegelt sind, zu den Zellen 13, deren Auslassseiten nicht versiegelt sind, während es die Trennwand 12 durchläuft (siehe Pfeile A1 in 3). Zu diesem Zeitpunkt wird das Abgas durch die Metalloxidpartikel (d. h. den Oxidationskatalysator) an der Trennwand 12 oxidiert. Bei jedem Einlass- und Auslassseitenende der Wabenstruktur 10 ist bevorzugt, dass die Dichtungseinrichtungen 14 in der Anordnungsrichtung der Zellen 13 abwechselnd vorgesehen sind.
Die Wabenstruktur 10 ist im Wesentlichen aus Cordierit gebildet. Die Wabenstruktur 10 kann lediglich aus Cordierit gebildet sein oder kann Materialien außer Cordierit (z. B. ein Metall oder eine Keramik außer Cordierit) enthalten. Der Cordieritgehalt in der Wabenstruktur 10 ist z. B. größer oder gleich 75 Massen-% und bevorzugt größer oder gleich 80 Massen-%. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Wabenstruktur 10 im Wesentlichen lediglich aus Cordierit gebildet.
4 ist ein Diagramm, das einen Teil der Trennwand 12 in der porösen Keramikstruktur 1 in vergrößerter Abmessung veranschaulicht. Die Wabenstruktur 10 besitzt eine große Anzahl von Gashohlräumen (die im Folgenden auch als „Poren 121“ bezeichnet werden). Die Metalloxidpartikel 2 und die cerhaltigen Partikel 3, die oben beschrieben sind, sind an den Innenseiten der Poren 121 (d. h. der Oberfläche der Poren) in der Wabenstruktur 10 fest angebracht. 4 veranschaulicht schematisch Metalloxidpartikel 2 und cerhaltige Partikel 3 an den Oberflächen von Poren 121 durch Kreuzschraffieren, ohne zwischen ihnen zu unterscheiden. Es ist festzuhalten, dass die Metalloxidpartikel 2 und die cerhaltigen Partikel 3 nicht notwendigerweise die gesamten Oberflächen der Poren 121 abdecken müssen.
Um den Druckverlust in der porösen Keramikstruktur 1 zu verringern, besitzt die Trennwand 12 in der Wabenstruktur 10 z. B. eine Offenporigkeit größer oder gleich 25 %, bevorzugt größer oder gleich 30 % und stärker bevorzugt größer oder gleich 35 %. Vom Standpunkt des Sicherstellens der Festigkeit der porösen Keramikstruktur 1 ist die Offenporigkeit der Trennwand 12 z. B. kleiner oder gleich 70 % und bevorzugt kleiner oder gleich 65 %. Die Offenporigkeit kann z. B. durch das Archimedes-Verfahren unter Verwendung von entionisiertem Wasser als Medium gemessen werden.
Die Trennwand 12 in der Wabenstruktur 10 besitzt z. B. einen durchschnittlichen Partikeldurchmesser größer oder gleich 5 µm und bevorzugt größer oder gleich 8 µm. Wie im Falle der Offenporigkeit nimmt der Druckverlust in der porösen Keramikstruktur 1 ab, während der durchschnittliche Porendurchmesser der Trennwand 12 zunimmt. Um die Oxidationsleistung der porösen Keramikstruktur 1 zu verbessern, ist der durchschnittliche Partikeldurchmesser der Wabenstruktur 10 z. B. kleiner oder gleich 40 µm, bevorzugt kleiner oder gleich 30 µm und stärker bevorzugt kleiner oder gleich 25 µm. Der durchschnittliche Porendurchmesser kann z. B. durch Quecksilberinjektion (in Übereinstimmung mit JIS R1655) gemessen werden. Abhängig vom Entwurf der porösen Keramikstruktur 1 können die Dichtungseinrichtungen 14 ausgelassen werden und können die Metalloxidpartikel 2 in einer Schicht an den Oberflächen der Zellen 13 gehalten werden.
5 zeigt ein Rasterelektronenmikroskopbild (SEM-Bild) der Oberfläche einer Pore 121 in der Wabenstruktur 10. In 5 sind eine große Anzahl von Metalloxidpartikeln 2, die relativ kleine Partikeldurchmesser besitzen, und eine große Anzahl von cerhaltigen Partikeln 3, die Partikeldurchmesser besitzen, die größer als die Partikeldurchmesser der Metalloxidpartikel 2 sind, fest an der Oberfläche der Pore 121 angebracht. Zum Beispiel besitzen die Metalloxidpartikel 2 einen durchschnittlichen Partikeldurchmesser größer oder gleich 10 nm. Die Partikeldurchmesser der Metalloxidpartikel 2 sind z. B. kleiner oder gleich 1 µm, bevorzugt kleiner oder gleich 100 nm und stärker bevorzugt kleiner oder gleich 60 nm. Die cerhaltigen Partikel 3 besitzen einen durchschnittlichen Partikeldurchmesser, der größer als der durchschnittliche Partikeldurchmesser der Metalloxidpartikel 2 ist. Zum Beispiel ist der durchschnittliche Partikeldurchmesser der cerhaltigen Partikel 3 größer oder gleich 0,5 µm, bevorzugt größer oder gleich 1 µm und stärker bevorzugt größer oder gleich 2 µm. Die Partikeldurchmesser der cerhaltigen Partikel 3 sind z. B. kleiner oder gleich 30 µm, bevorzugt kleiner oder gleich 20 µm und stärker bevorzugt kleiner oder gleich 10 µm.
Zum Beispiel wird der durchschnittliche Partikeldurchmesser der Metalloxidpartikel 2 durch Berechnen eines Durchschnittswerts der Partikeldurchmesser der Metalloxidpartikel 2 in einem Bild der Metalloxidpartikel 2, das bei einer vorgegebenen Vergrößerung durch ein SEM aufgenommen wurde, erhalten. Gleiches gilt für den durchschnittlichen Partikeldurchmesser der cerhaltigen Partikel 3. Alternativ können die durchschnittlichen Partikeldurchmesser der Metalloxidpartikel 2 und der cerhaltigen Partikel 3 durch Laserdiffraktometrie erhalten werden. Als eine weitere Alternative können die Durchmesser von Kristalliten der Metalloxidpartikel 2 und der cerhaltigen Partikel 3, die durch Röntgendiffraktometrie (XRD) erhalten werden, als die durchschnittlichen Partikeldurchmesser betrachtet werden.
Die Metalloxidpartikel 2 sind feine Partikel eines Oxids, das eine Spinellstruktur (d. h. eine Spinellkristallstruktur) besitzt, die Eisenelemente (Fe-Elemente) und/oder Manganelemente (Mn-Elemente) und/oder Kobaltelemente (Co-Elemente) enthält. Zum Beispiel sind die Metalloxidpartikel 2 lediglich aus einem Oxid gebildet, das Fe und/oder Mn und/oder Co enthält. Bevorzugt sind die Metalloxidpartikel 2 Partikel eines Oxids, das eine Spinellstruktur besitzt, die Fe, Mn und Sauerstoff (O) enthält (Fe_xMn_yO₄, wobei x und y positive Zahlenwerte sind, die x + y = 3 erfüllen), oder Partikel eines Oxids, das eine Spinellstruktur besitzt, die Co und Sauerstoff (O) enthält (Co₃O₄). Die cerhaltigen Partikel 3 sind feine Partikel, die Cer-Elemente (Ce-Elemente) enthalten. Zum Beispiel sind die cerhaltigen Partikel 3 Cer-Dioxidpartikel (CeO₂-Partikel).
Wenn die poröse Keramikstruktur 1 Fe enthält, ist der Fe-Gehalt in der porösen Keramikstruktur 1 größer oder gleich 0,1 Massen-% und bevorzugt größer oder gleich 1,5 Massen-% bezüglich Fe₂O₃. Der Fe-Gehalt ist auch kleiner oder gleich 3,0 Massen-% bezüglich Fe₂O₃. Der Fe-Gehalt bezüglich Fe₂O₃ wie hierin verwendet bezieht sich auf den Prozentsatz eines Werts, der durch Teilen des Gewichts von Fe₂O₃ durch das Gewicht der porösen Keramikstruktur 1 erhalten wird, wenn angenommen wird, dass alle Fe-Komponenten, die in der porösen Keramikstruktur 1 enthalten sind, als Fe₂O₃ vorhanden sind.
Wenn die poröse Keramikstruktur 1 Mn enthält, ist der Mn-Gehalt in der porösen Keramikstruktur 1 größer oder gleich 0,1 Massen-% und bevorzugt größer oder gleich 1,5 Massen-% bezüglich Mn₂O₃. Der Mn-Gehalt ist auch kleiner oder gleich 3,0 Massen-% bezüglich Manganoxid (Mn₂O₃). Der Mn-Gehalt bezüglich Mn₂O₃wie hierin verwendet bezieht sich auf den Prozentsatz eines Werts, der durch Teilen des Gewichts von Mn₂O₃durch das Gewicht der porösen Keramikstruktur 1 erhalten wird, wenn angenommen wird, dass alle Mn-Komponenten, die in der porösen Keramikstruktur 1 enthalten sind, als Mn₂O₃ vorhanden sind.
Wenn die poröse Keramikstruktur 1 Co enthält, ist der Co-Gehalt in der porösen Keramikstruktur 1 wie folgt. Wenn die poröse Keramikstruktur 1 Co gemeinsam mit Fe oder Mn enthält (d. h., wenn die poröse Keramikstruktur 1 Co und/oder Fe und/oder Mn enthält), ist der Co-Gehalt in der porösen Keramikstruktur 1 größer oder gleich 0,1 Massen-% und bevorzugt größer oder gleich 1,5 Massen-% bezüglich Co₃O₄. Der Co-Gehalt ist auch kleiner oder gleich 3,0 Massen-% bezüglich Co₃O₄.
Währenddessen ist dann, wenn die poröse Keramikstruktur 1 Co enthält, ohne Fe und Mn zu enthalten, der Co-Gehalt in der porösen Keramikstruktur 1 größer oder gleich 0,2 Massen-% und bevorzugt größer oder gleich 3,0 Massen-% bezüglich Co₃O₄. Der Co-Gehalt ist auch kleiner oder gleich 6,0 Massen-% bezüglich Co₃O₄. Der Co-Gehalt bezüglich Co₃O₄ wie hierin verwendet bezieht sich auf den Prozentsatz eines Werts, der durch Teilen des Gewichts von Co₃O₄ durch das Gewicht der porösen Keramikstruktur 1 erhalten wird, wenn angenommen wird, dass alle Co Komponenten, die in der porösen Keramikstruktur 1 enthalten sind, als Co₃O₄ vorhanden sind. In jedem der oben beschriebenen Fälle ist der Großteil von Fe, Co und Mn, die in der porösen Keramikstruktur 1 enthalten sind, als die Metalloxidpartikel 2 vorhanden, jedoch ist auch denkbar, dass einige Metalloxidpartikel 2 in der Wabenstruktur 10 gelöst sind.
Der Ce-Gehalt in der porösen Keramikstruktur 1 ist größer oder gleich 0,1 Massen-% und bevorzugt größer oder gleich 1,5 Massen-% bezüglich CeO₂. Der Ce-Gehalt ist auch kleiner oder gleich 10 Massen-% und bevorzugt kleiner oder gleich 4,5 Massen-% bezüglich CeO₂. Der Ce-Gehalt bezüglich CeO₂ wie hierin verwendet bezieht sich auf den Prozentsatz eines Werts, der durch Teilen des Gewichts von CeO₂ durch das Gewicht der porösen Keramikstruktur 1 erhalten wird, wenn angenommen wird, dass alle Ce Komponenten, die in der porösen Keramikstruktur 1 enthalten sind, als CeO₂ vorhanden sind. Obwohl der Großteil von Ce, das in der porösen Keramikstruktur 1 enthalten ist, als die cerhaltigen Partikel 3 vorhanden ist, ist auch denkbar, dass ein Teil des Ce in der Wabenstruktur 10 gelöst sein kann.
Ein Verhältnis der Summe des Fe-Gehalts bezüglich Fe₂O₃, des Mn-Gehalts bezüglich Mn₂O₃und des Co-Gehalts bezüglich Co₃O₄ zum Ce-Gehalt bezüglich CeO₂ (d. h. der Wert, der durch Teilen der Summe des Fe-Gehalts bezüglich Fe₂O₃, des Mn-Gehalts bezüglich Mn₂O₃ und des Co-Gehalts bezüglich Co₃O₄ durch den Ce-Gehalt bezüglich CeO₂ erhalten wird) ist größer oder gleich 0,8 und bevorzugt größer oder gleich 1,0. Dieses Verhältnis ist auch kleiner oder gleich 9,5 und bevorzugt kleiner oder gleich 4,0. In der folgenden Beschreibung wird dieses Verhältnis als das „Fe/Mn/Co-Verhältnis“ bezeichnet.
Der Gehalt der Metalloxidpartikel 2 in der porösen Keramikstruktur 1 liegt im Bereich von 0,3 Massen-% bis 8,0 Massen-%. Der Gehalt der Metalloxidpartikel 2 wie hierin verwendet bezieht sich auf das Massenverhältnis der Metalloxidpartikel 2 in der kristallinen Phase der porösen Keramikstruktur 1. Bevorzugt liegt der Gehalt der Metalloxidpartikel 2 im Bereich von 2,0 Massen-% bis 8,0 Massen-%.
Die Menge der Metalloxidpartikel 2, die in der porösen Keramikstruktur 1 getragen werden, ist z. B. größer oder gleich 2,0 Gramm pro Liter (g/L), bevorzugt größer oder gleich 3,0 g/L und stärker bevorzugt größer oder gleich 5,0 g/L. Die Menge der Metalloxidpartikel 2, die in der porösen Keramikstruktur 1 getragen werden, ist auch z. B. kleiner oder gleich 50 g/L, bevorzugt kleiner oder gleich 45 g/L und stärker bevorzugt kleiner oder gleich 40 g/L. Die Menge (g/L) der Metalloxidpartikel 2 gibt die Menge (g) der Metalloxidpartikel 2 an, die pro Volumeneinheit (L) der Wabenstruktur 10 getragen werden.
6 zeigt ein vergrößertes SEM-Bild von Metalloxidpartikeln 2 an der Oberfläche einer Pore 121. Wie in 6 gezeigt ist, besitzen die Metalloxidpartikel 2 Formen, die teilweise von innerhalb der Wabenstruktur 10 in die Pore 121 vorstehen. 7 ist eine Schnittansicht eines Bereichs in der Nähe eines Metalloxidpartikels 2 in 6.
Das Metalloxidpartikel 2 besitzt einen fest angebrachten Abschnitt 21 und einen Vorsprung 22. Der fest angebrachte Abschnitt 21 befindet sich in der Wabenstruktur 10. Die Ausdrucksweise „in der Wabenstruktur 10“ bezieht sich auf innerhalb des Cordierits, das die Pore 121 umgibt, und bezieht sich nicht auf innerhalb der Pore 121, die in der Wabenstruktur 10 vorgesehen ist. Der fest angebrachte Abschnitt 21 ist ein Verbindungsabschnitt des Metalloxidpartikels 2, das mit dem Cordierit, das als die Hauptkomponente der Wabenstruktur 10 dient, verbunden ist und das fest im Innenraum des Cordierits angebracht ist. Mit anderen Worten ist der fest angebrachte Abschnitt 21 ein Abschnitt des Metalloxidpartikels 2, das im Cordierit von der Oberfläche der Pore 121 zur der Pore 121 gegenüberliegenden Seite in der Wabenstruktur 10 kriecht. Mit nochmals anderen Worten ist der fest angebrachte Abschnitt 21 ein Abschnitt des Metalloxidpartikels 2, dessen Oberfläche mit dem Cordierit abgedeckt ist.
Der Vorsprung 22 ist ein Abschnitt des Metalloxidpartikels 2, der von der Oberfläche der Pore 121 in die Pore 121 vorsteht. Mit anderen Worten ist der Vorsprung 22 ein Abschnitt, der von der Oberfläche des Cordierits freigelegt ist. Der Vorsprung 22 ist mit dem fest angebrachten Abschnitt 21 zusammenhängend.
In der porösen Keramikstruktur 1 wird die Wabenstruktur 10 keinem Beschichtungsprozess unter Verwendung von γ-Aluminiumoxid oder dergleichen (einer sogenannten Waschbeschichtung) unterzogen. Deshalb wird keine Beschichtung, die durch den genannten Beschichtungsprozess gebildet werden soll, auf den Oberflächen der Poren 121 gebildet und als ein natürliches Resultat sind die Metalloxidpartikel 2 nicht mittels einer derartigen Beschichtung an der Wabenstruktur 10 fest angebracht.
Unter einer großen Anzahl von Metalloxidpartikeln 2, die in der porösen Keramikstruktur 1 enthalten sind, sind einige Metalloxidpartikel 2 an den Oberflächen von Poren 121 in den Poren 121 fest angebracht, wie oben beschrieben ist, und die weiteren Metalloxidpartikel 2 befinden sich in ihrer Gesamtheit in der Wabenstruktur 10. Gleiches gilt für die cerhaltigen Partikel 3.
Dann wird ein Beispiel des Verfahrens zum Herstellen der porösen Keramikstruktur 1 unter Bezugnahme auf 8 beschrieben. Bei der Herstellung der porösen Keramikstruktur 1 wird zunächst ein Strukturrohmaterial durch Wiegen und Mischen eines Materials für die Wabenstruktur 10, eines Materials für die cerhaltigen Partikel 3 (z. B. CeO₂), eines Materials für die Metalloxidpartikel 2 und ZnO, das als Hilfe dient, angefertigt. Das Material für die Metalloxidpartikel 2 enthält Fe und/oder Mn und/oder Co. Zum Beispiel ist das Material für die Metalloxidpartikel 2 Fe₂O₃, Mn₂O₃ oder Co₃O₄. Die Hauptkomponente des Materials für die Wabenstruktur 10 ist Cordierit, das als ein Aggregat der Wabenstruktur 10 dient. Die Hauptkomponente des Materials für die Wabenstruktur 10 kann z. B. Kaolin, Talkum oder Aluminiumoxid, das ein Rohmaterial für Cordierit ist, sein. Das Material für die Wabenstruktur 10 enthält auch weitere Komponenten wie z. B. einen Porenbildner und ein Bindemittel. Nachdem das Strukturrohmaterial einem Trockenmischen in einem Kneter unterworfen worden ist, wird Wasser hinzugefügt und wird das Strukturrohmaterial im Kneter weiter in gekneteten Ton geknetet (Schritt S11).
Die Zeit, die für das genannte Trockenmischen erforderlich ist, und die Zeit, die für das genannte Kneten erforderlich ist, sind z. B. 15 Minuten bzw. 30 Minuten. Die Trockenmischzeit und die Knetzeit können auf verschiedene Arten geändert werden. Das genannte Rohmaterial für die cerhaltigen Partikel 3 kann aus Salzen wie z. B. Cer-Nitrat bestehen. Das genannte Rohmaterial für die Metalloxidpartikel 2 kann aus Salzen wie z. B. Eisennitrat, Mangannitrat oder Kobaltnitrat bestehen.
In Schritt S11 werden das Rohmaterial für die cerhaltigen Partikel 3 und das Rohmaterial für die Metalloxidpartikel 2 dem Aggregat oder dergleichen der Wabenstruktur 10 einzeln hinzugefügt, jedoch kann das Verfahren des Hinzufügens dieser Rohmaterialien auf verschiedene Arten geändert werden. Zum Beispiel kann das Rohmaterial für die Metalloxidpartikel 2 in CeO₂ eingetaucht und getrocknet und gebrannt werden, um einen Zusatzstoff zu erzeugen, und dieser Zusatzstoff kann zum Aggregat oder dergleichen der Wabenstruktur 10 hinzugefügt werden. Im Zusatzstoff ist ein Teil des Rohmaterials für die Metalloxidpartikel 2 als Feststoff gelöst oder haftet an CeO₂.
Der geknetete Ton, der in Schritt S11 angefertigt wurde, wird durch eine Vakuumknetmaschine oder weitere Maschinen in eine Säulenform geformt und dann einem Extrusionsformen durch einen Extruder unterworfen, um einen Presskörper zu bilden, der eine Wabenform besitzt (der im Folgenden auch als ein „Wabenpresskörper“ bezeichnet wird) (Schritt S12). Dieser Wabenpresskörper enthält in sich eine rasterartige Trennwand, die den Wabenpresskörper in mehrere Zellen, die als Strömungswege für ein Fluid dienen, unterteilt. Der Wabenpresskörper besitzt einen Wabendurchmesser von 30 mm, eine Trennwanddicke von 12 mil (etwa 0,3 mm), eine Zellendichte von 300 Zellen pro Quadratzoll (cps), d. h. 46,5 Zellen/cm², und eine Außenwanddicke von etwa 0,6 mm. Alternativ kann in Schritt S12 der Wabenpresskörper durch ein Formverfahren außer Extrusionsformen geformt werden.
Danach wird der Wabenpresskörper, der in Schritt S12 angefertigt wurde, einem Trocknen unterworfen. Es ist keine besondere Beschränkung des Verfahrens des Trocknens der Wabenpresskörpers vorhanden. Zum Beispiel kann das Trockenverfahren Heißlufttrocknen, Mikrowellentrocknen, dielektrisches Trocknen, Trocknen bei verringertem Druck, Vakuumtrocknen oder Gefriertrocknen sein oder kann eine beliebige Kombination dieser Trockenverfahren sein. Zum Beispiel wird der Wabenpresskörper einem Mikrowellentrocknen unterworfen, um etwa 50 bis 80 % Feuchtigkeit auszudünsten, und wird dann (6 bis 20 Stunden bei 60 bis 100 °C) einem Heißlufttrocknen unterworfen. Bevorzugt wird der Wabenpresskörper einem Mikrowellentrocknen unterworfen, um etwa 70 % Feuchtigkeit auszudünsten, und wird dann (12 Stunden bei 80 °C) einem Heißlufttrocknen unterworfen. Dann wird der Wabenpresskörper in einen Entfettungsofen, der bei 450 °C gehalten wird, gegeben, um organische Komponenten, die im Wabenpresskörper verbleiben, zu entfernen (d. h. zu entfetten).
Danach wird der Wabenpresskörper einem Brennvorgang (Brennen) unterworfen, derart, dass die poröse Keramikstruktur 1, die die Wabenstruktur 10, die cerhaltigen Partikel 3 und die Metalloxidpartikel 2 enthält, erhalten wird (Schritt S13). Die poröse Keramikstruktur 1, die durch das genannte Herstellungsverfahren erzeugt wird, enthält keine Edelmetalle und kann deshalb bei niedrigen Kosten erzeugt werden.
Die Brennverarbeitung in Schritt S13 wird z. B. mit einem vorgegebenen Temperaturprofil unter atmosphärischem Druck ausgeführt. 9 ist ein Diagramm, das ein Detail des Brennschritts in Schritt S13 veranschaulicht. 10 und 11 sind Diagramme, die Temperaturprofile während eines ersten Brennschritts veranschaulichen.
Im ersten Brennschritt wird zunächst die Temperatur des Wabenpresskörpers von einer Normaltemperatur (z. B. 20 °C) zu einer ersten Temperatur t₁, die kleiner oder gleich einer Flüssigphasenbildungstemperatur t_L ist, angehoben (Schritt S21). Die Flüssigphasenbildungstemperatur t_L wie hierin verwendet bezieht sich auf eine Temperatur, bei der die Flüssigphasenbildung eines Rohmaterials im Wabenpresskörper, der erhitzt wird, startet. Zum Beispiel ist die Flüssigphasenbildungstemperatur t_L eine Temperatur im Bereich von 1100 °C bis 1170 °C. 10 zeigt den Fall, in dem die erste Temperatur t₁ gleich der Flüssigphasenbildungstemperatur t_L ist. Wie oben beschrieben ist, kann die erste Temperatur t₁ kleiner als die Flüssigphasenbildungstemperatur t_L sein. Es liegen keine besonderen Einschränkungen der Rate des Erhöhens der Temperatur zur Flüssigphasenbildungstemperatur t_L vor und z. B. kann diese Rate im Bereich von 100 °C/h bis 200 °C/h liegen.
Dann wird die Temperatur des Wabenpresskörpers von der ersten Temperatur t₁ zu einer zweiten Temperatur t₂, die größer als die erste Temperatur t₁ ist, angehoben (Schritt S22). Die zweite Temperatur t₂ ist größer als die Flüssigphasenbildungstemperatur t_L und kleiner als eine Kristallisationstemperatur tc der Metalloxidpartikel 2. Die Kristallisationstemperatur tc ist eine Temperatur, bei der die Metalloxidpartikel 2 starten, kristallisiert und aus dem Wabenpresskörper, der erhitzt wird, abgeschieden zu werden. Zum Beispiel ist die Kristallisationstemperatur tc eine Temperatur im Bereich von 1250 °C bis 1350 °C. Die zweite Temperatur t₂ ist z. B. eine Temperatur im Bereich von 1170 °C bis 1250 °C. Die Rate des Erhöhens der Temperatur des Wabenpresskörpers in Schritt S22 liegt im Bereich von 100 °C/h bis 200 °C/h.
Dann wird die Temperatur des Wabenpresskörpers von der zweiten Temperatur t₂ zu einer dritten Temperatur t₃, die größer als die zweite Temperatur t₂ ist, angehoben (Schritt S23). Die dritte Temperatur t₃ ist größer als die Kristallisationstemperatur tc und kleiner oder gleich einer Höchsttemperatur tmax. Zum Beispiel ist die Höchsttemperatur tmax eine Temperatur im Bereich von 1350 °C bis 1500 °C. 10 zeigt den Fall, in dem die dritte Temperatur t₃ gleich der Höchsttemperatur tmax ist. Wie oben beschrieben ist, kann die dritte Temperatur t₃ kleiner als die Höchsttemperatur tmax sein. Es bestehen keine besonderen Einschränkungen der Rate des Erhöhens der Temperatur des Wabenpresskörpers in Schritt S23 und z. B. kann diese Rate im Bereich von 25 °C/h bis 200 °C/h und bevorzugt im Bereich von 100 °C/h bis 200 °C/h liegen.
Danach wird die Temperatur des Wabenpresskörpers für einen vorgegebenen Zeitraum bei der Höchsttemperatur tmax gehalten und wird dann zur Normaltemperatur abgesenkt (Schritt S24). Auf diese Weise endet der Brennvorgang des Wabenpresskörpers (Schritt S13) und die poröse Keramikstruktur 1 wird erzeugt. Ein Zeitraum, in dem die Temperatur bei der Höchsttemperatur tmax gehalten wird, in Schritt S24 (der im Folgenden auch als ein „Maximaltemperaturhaltezeitraum“ bezeichnet wird) ist z. B. größer oder gleich fünf Stunden und kleiner oder gleich 50 Stunden. Wenn die dritte Temperatur t₃ kleiner als die Höchsttemperatur tmax ist, wird die Temperatur des Wabenpresskörpers in einem Zeitraum zwischen den Schritten S23 und S24 von der dritten Temperatur t₃ zur Höchsttemperatur tmax angehoben. Es liegen keine besonderen Einschränkungen der Rate des Erhöhens der Temperatur von der dritten Temperatur t₃ zur Höchsttemperatur tmax vor und z. B. kann diese Rate im Bereich von 25 °C/h bis 75 °C/h liegen.
Im ersten Brennschritt kann der Anstieg der Temperatur des Wabenpresskörpers in der Mitte von Schritt S23 vorübergehend gestoppt werden, wie in 11 veranschaulicht ist. Speziell wenn die Temperatur des Wabenpresskörpers zur Kristallisationstemperatur tc in Schritt S23 angehoben wurde, kann der Anstieg der Temperatur vorübergehend gestoppt werden und ein Zustand, in dem die Temperatur des Wabenpresskörpers bei der Kristallisationstemperatur tc verbleibt, wird für einen vorgegebenen Zeitraum (der im Folgenden auch als ein „Zwischenhaltezeitraum“ bezeichnet wird) gehalten. Der Zwischenhaltezeitraum ist z. B. größer oder gleich einer Stunde und kleiner oder gleich 100 Stunden und bevorzugt größer oder gleich fünf Stunden und kleiner oder gleich 75 Stunden. Es ist festzuhalten, dass der Zwischenhaltezeitraum kleiner als eine Stunde sein kann und größer als 100 Stunden sein kann. Das Beispiel, das in 10 veranschaulicht ist, entspricht einem Temperaturprofil, wobei der Zwischenhaltezeitraum null ist. In dem Beispiel, das in 11 veranschaulicht ist, nimmt dann, wenn der Zwischenhaltezeitraum verstrichen ist, die Temperatur das Wabenpresskörpers das Ansteigen wieder auf und wird zu der dritten Temperatur t₃ angehoben (in dem Beispiel, das in 11 veranschaulicht ist, zu derselben Temperatur wie die Höchsttemperatur tmax).
Dann wird ein zweites Beispiel des Brennschritts in Schritt S13 unter Bezugnahme auf 12 und 13 beschrieben. Eine genaue Prozedur des Brennschritts ist ähnlich der in 9 veranschaulicht ist. 12 und 13 sind Diagramme, die Temperaturprofile während eines zweiten Brennschritts veranschaulichen.
Im zweiten Brennschritt als im erste Brennschritt, der oben beschrieben wurde, wird die Temperatur des Wabenpresskörpers von einer Normaltemperatur zu einer ersten Temperatur t₁, die kleiner oder gleich einer Flüssigphasenbildungstemperatur t_L ist, angehoben (Schritt S21 in 9). Die Flüssigphasenbildungstemperatur t_L ist z. B. eine Temperatur im Bereich von 1100 °C bis 1170 °C. 12 zeigt den Fall, in dem die erste Temperatur t₁ gleich der Flüssigphasenbildungstemperatur t_L ist. Wie oben beschrieben ist, kann die erste Temperatur t₁ kleiner als die Flüssigphasenbildungstemperatur t_L sein. Es liegen keine besonderen Einschränkungen der Rate des Erhöhens der Temperatur zur Flüssigphasenbildungstemperatur t_L vor und z. B. kann diese Rate im Bereich von 50 °C/h bis 200 °C/h liegen. In dem Beispiel, das in 12 veranschaulicht ist, fällt die Rate des Temperaturanstiegs bei der Grenze von etwa 900 °C ab.
Dann wird die Temperatur des Wabenpresskörpers von der ersten Temperatur t₁ zu einer zweiten Temperatur t₂, die größer als die erste Temperatur t₁ ist, angehoben (Schritt S22). Die zweite Temperatur t₂ ist größer als die Flüssigphasenbildungstemperatur t_L und kleiner als die Kristallisationstemperatur tc der Metalloxidpartikel 2. Die Kristallisationstemperatur tc ist z. B. eine Temperatur im Bereich von 1250 °C bis 1350 °C. Zum Beispiel liegt die zweite Temperatur t₂ im Bereich von 1170 °C bis 1250 °C. Im Gegensatz zum ersten Brennschritt liegt die Rate des Erhöhens der Temperatur des Wabenpresskörpers in Schritt S22 im Bereich von 1 °C/h bis 10 °C/h.
Dann wird die Temperatur des Wabenpresskörpers von der zweiten Temperatur t₂ zu einer dritten Temperatur t3, die größer als die zweite Temperatur t₂ ist, angehoben (Schritt S23). Die dritte Temperatur t₃ ist größer als die Kristallisationstemperatur tc und kleiner oder gleich einer Höchsttemperatur tmax. Die Höchsttemperatur tmax ist z. B. eine Temperatur im Bereich von 1350 °C bis 1500 °C. 12 zeigt den Fall, in dem die dritte Temperatur t₃ gleich der Höchsttemperatur tmax ist. Wie oben beschrieben ist, kann die dritte Temperatur t₃ kleiner als die Höchsttemperatur tmax sein. Es bestehen keine besonderen Einschränkungen der Rate des Erhöhens der Temperatur des Wabenpresskörpers in Schritt S23 und z. B. kann diese Rate im Bereich von 25 °C/h bis 200 °C/h liegen.
Danach wird die Temperatur des Wabenpresskörpers für einen vorgegebenen Zeitraum bei der Höchsttemperatur tmax gehalten und dann zu der Normaltemperatur abgesenkt (Schritt S24). Auf diese Weise endet der Brennvorgang des Wabenpresskörpers (Schritt S13) und die poröse Keramikstruktur 1 wird erzeugt. Ein Zeitraum, in dem die Temperatur bei der Höchsttemperatur tmax gehalten wird, in Schritt S24 (d. h. ein „Maximaltemperaturhaltezeitraum“) ist z. B. größer oder gleich fünf Stunden und kleiner oder gleich 50 Stunden. Wenn die dritte Temperatur t₃ kleiner als die Höchsttemperatur tmax ist, wird die Temperatur des Wabenpresskörpers in einem Zeitraum zwischen den Schritten S13 und 14 von der dritten Temperatur t₃ zur Höchsttemperatur tmax angehoben. Es bestehen keine besonderen Einschränkungen der Rate des Erhöhens der Temperatur von der dritten Temperatur t₃ zur Höchsttemperatur tmax und z. B. kann diese Rate im Bereich von 25 °C/h bis 75 °C/h liegen.
Im zweiten Brennschritt kann der Anstieg der Temperatur des Wabenpresskörpers in der Mitte von Schritt S23 vorübergehend gestoppt werden, wie in 13 veranschaulicht ist. Speziell wenn die Temperatur des Wabenpresskörpers in Schritt S23 zur Kristallisationstemperatur tc angehoben wurde, wird der Anstieg der Temperatur vorübergehend gestoppt und ein Zustand, in dem die Temperatur des Wabenpresskörpers bei der Kristallisationstemperatur tc verbleibt, wird für einen vorgegebenen Zeitraum (d. h. einen „Zwischenhaltezeitraum“) gehalten. Der Zwischenhaltezeitraum liegt z. B. im Bereich von einer Stunde bis 100 Stunden und bevorzugt im Bereich von fünf Stunden bis 75 Stunden. Es ist festzuhalten, dass der Zwischenhaltezeitraum kleiner als eine Stunde sein kann und größer als 100 Stunden sein kann. Das Beispiel, das in 12 veranschaulicht ist, entspricht einem Temperaturprofil, wobei der Zwischenhaltezeitraum null ist. In dem Beispiel, das in 13 veranschaulicht ist, nimmt dann, wenn der Zwischenhaltezeitraum verstrichen ist, die Temperatur das Wabenpresskörpers das Ansteigen wieder auf und wird zu der dritten Temperatur t₃ angehoben (in dem Beispiel, das in 13 veranschaulicht ist, zu derselben Temperatur wie die Höchsttemperatur tmax).
Dann wird ein drittes Beispiel des Brennschritts in Schritt S13 unter Bezugnahme auf 14 beschrieben. Eine genaue Prozedur im Brennschritt ist ähnlich der in 9. 14 ist ein Diagramm, das ein Temperaturprofil während eines dritten Brennschritts veranschaulicht.
Im dritten Brennschritt wird wie im ersten und im zweiten Brennschritt, die oben beschrieben sind, die Temperatur des Wabenpresskörpers von einer Normaltemperatur zu einer ersten Temperatur t₁, die kleiner oder gleich einer Flüssigphasenbildungstemperatur t_L ist, angehoben (Schritt S21 in 9). Die Flüssigphasenbildungstemperatur t_L ist z. B. eine Temperatur im Bereich von 1100 °C bis 1170 °C. 14 zeigt den Fall, in dem die erste Temperatur t₁ gleich der Flüssigphasenbildungstemperatur t_L ist. Wie oben beschrieben ist, kann die erste Temperatur t₁ kleiner als die Flüssigphasenbildungstemperatur t_L sein. Es bestehen keine besonderen Einschränkungen der Rate des Erhöhens der Temperatur zur Flüssigphasenbildungstemperatur t_L und z. B. kann diese Rate im Bereich von 50 °C/h bis 200 °C/h liegen. In dem Beispiel, das in 14 veranschaulicht ist, fällt die Rate des Temperaturanstiegs bei einer Grenze von etwa 900 °C.
Dann wird die Temperatur des Wabenpresskörpers von der ersten Temperatur t₁ zu einer zweiten Temperatur t₂, die größer als die erste Temperatur t₁ ist, angehoben (Schritt S22). Die zweite Temperatur t₂ ist größer als die Flüssigphasenbildungstemperatur t_L und kleiner als die Kristallisationstemperatur tc der Metalloxidpartikel 2. Die Kristallisationstemperatur tc ist z. B. eine Temperatur im Bereich von 1250 °C bis 1350 °C. Zum Beispiel liegt die zweite Temperatur t₂ im Bereich von 1170 °C bis 1250 °C. Im Gegensatz zum ersten und zweiten Brennschritt liegen in Schritt S22 keine besonderen Einschränkungen der Rate des Erhöhens der Temperatur des Wabenpresskörpers vor. Die Rate des Temperaturanstiegs liegt z. B. im Bereich von 10 °C/h bis 100 °C/h.
Dann wird die Temperatur des Wabenpresskörpers von der zweiten Temperatur t₂ zu einer dritten Temperatur t₃, die größer als die zweite Temperatur t₂ ist, angehoben (Schritt S23). Die dritte Temperatur t₃ ist größer als die Kristallisationstemperatur tc und kleiner oder gleich der Höchsttemperatur tmax. Die Höchsttemperatur tmax ist z. B. eine Temperatur im Bereich von 1350 °C bis 1500 °C. 14 zeigt den Fall, in dem die dritte Temperatur t₃ gleich der Höchsttemperatur tmax ist. Wie oben beschrieben ist, kann die dritte Temperatur t₃ kleiner als die Höchsttemperatur tmax sein. Es bestehen keine besonderen Einschränkungen der Rate des Erhöhens der Temperatur des Wabenpresskörpers in Schritt S23 und z. B. kann diese Rate im Bereich von 10 °C/h bis 100 °C/h liegen.
Im dritten Brennschritt wird der Anstieg der Temperatur des Wabenpresskörpers in der Mitte von Schritt S23 vorübergehend gestoppt. Speziell wenn die Temperatur des Wabenpresskörpers in Schritt S23 zur Kristallisationstemperatur tc angestiegen ist, wird der Anstieg der Temperatur vorübergehend gestoppt und ein Zustand, in dem die Temperatur des Wabenpresskörpers bei der Kristallisationstemperatur t_c verbleibt, wird für einen vorgegebenen Zeitraum (d. h. einen „Zwischenhaltezeitraum“) gehalten. Zum Beispiel kann der Zwischenhaltezeitraum im Bereich von einer Stunde bis 100 Stunden und bevorzugt im Bereich von fünf Stunden bis 75 Stunden liegen. Es ist festzuhalten, dass der Zwischenhaltezeitraum kleiner als eine Stunde sein kann und größer als 100 Stunden sein kann. Wenn der Zwischenhaltezeitraum verstrichen ist, nimmt die Temperatur des Wabenpresskörpers das Ansteigen wieder auf und wird zu der dritten Temperatur t₃ angehoben (in dem Beispiel, das in 14 veranschaulicht ist, zu derselben Temperatur wie die Höchsttemperatur tmax).
Danach wird die Temperatur des Wabenpresskörpers für einen vorgegebenen Zeitraum bei der Höchsttemperatur tmax gehalten und wird dann zur Normaltemperatur abgesenkt (Schritt S24). Auf diese Weise endet der Brennvorgang des Wabenpresskörpers (Schritt S13) und die poröse Keramikstruktur 1 wird erzeugt. Ein Zeitraum, in dem die Temperatur bei der Höchsttemperatur tmax gehalten wird, in Schritt S24 (d. h. ein Maximaltemperaturhaltezeitraum) liegt z. B. im Bereich von fünf Stunden bis 50 Stunden. Wenn die dritte Temperatur t₃ kleiner als die Höchsttemperatur tmax ist, wird die Temperatur des Wabenpresskörpers in einem Zeitraum zwischen den Schritten S23 und S24 von der dritten Temperatur t₃ zur Höchsttemperatur tmax angehoben. Es bestehen keine besonderen Einschränkungen der Rate des Erhöhens der Temperatur von der dritten Temperatur t₃ zur Höchsttemperatur tmax und z. B. kann diese Rate im Bereich von 25 °C/h bis 75 °C/h liegen.

Dann werden der Druckverlust und die katalytische Leistungsfähigkeit in den poröse Keramikstrukturen 1 gemäß den Beispielen 1 bis 10 unter Bezugnahme auf die Tabellen 1 bis 4 beschrieben. Das vergleichendes Beispiel 1 wird auch auf dieselbe Weise beschrieben. Unter den Beispielen 1 bis 10 unterscheiden sich die Beispiele 1 bis 6 und die Beispiele 7 bis 10 in der Materialzusammensetzung und der Zusammensetzung der kristallinen Phase, wie später beschrieben wird (siehe Tabellen 2 und 3). Es ist festzuhalten, dass die Materialzusammensetzung, die in Tabelle 2 gezeigt ist, die Zusammensetzung von Materialien, die verwendet werden, um die poröse Keramikstruktur 1 (d. h. die angefertigte Zusammensetzung) zu erzeugen, angibt. Die Zusammensetzung der kristallinen Phase, die in Tabelle 3 gezeigt ist, ist die Zusammensetzung der kristallinen Phase in der erstellten porösen Keramikstruktur 1. Tabelle 1

	Temperaturanstiegsrate C2	Temperaturanstiegsrate C3	Zwischenprodukt-Haltezeitraum	Maximaltemperatur-Haltezeitraum
	(°C/h)	(°C/h)	(h)	(h)
Beispiel 1	12	60	10	7
Beispiel 2	12	60	50	7
Beispiel 3	3	60	0	7
Beispiel 4	180	60	0	7
Beispiel 5	200	200	0	7
Beispiel 6	180	60	10	7
Beispiel 7	12	60	10	7
Beispiel 8	3	60	0	7
Beispiel 9	180	60	0	7
Beispiel 10	200	200	0	7
Vergleichendes Beispiel 1	12	60	0	7

Tabelle 2

	Materialzusammensetzung (Massen-%)								Fe/Mn/Co-Verhältnis
	MgO	Al₂O₃	SiO₂	Fe₂O₃	Mn₂O₃	Co₃O₄	CeO₂	Summe	Fe/Mn/Co-Verhältnis
Beispiel 1	12,7	31,0	46,3	2,6	2,4	0,0	5,0	100,0	1,0
Beispiel 2	12,7	31,0	46,3	2,6	2,4	0,0	5,0	100,0	1,0
Beispiel 3	12,7	31,0	46,3	2,6	2,4	0,0	5,0	100,0	1,0
Beispiel 4	12,7	31,0	46,3	2,6	2,4	0,0	5,0	100,0	1,0
Beispiel 5	12,7	31,0	46,3	2,6	2,4	0,0	5,0	100,0	1,0
Beispiel 6	12,7	31,0	46,3	2,6	2,4	0,0	5,0	100,0	1,0
Beispiel 7	12,7	31,0	46,3	0,0	0,0	5,5	4,5	100,0	1,2
Beispiel 8	12,7	31,0	46,3	0,0	0,0	5,5	4,5	100,0	1,2
Beispiel 9	12,7	31,0	46,3	0,0	0,0	5,5	4,5	100,0	1,2
Beispiel 10	12,7	31,0	46,3	0,0	0,0	5,5	4,5	100,0	1,2
Vergleichendes Beispiel 1	12,7	31,0	46,3	2,6	2,4	0,0	5,0	100,0	1,0

Tabelle 3

	Zusammensetzung der kristallinen Phase (Massen-%)
	Cordierit	Fe_xMn_yO₄	Co₃O₄	CeO₂	Weitere	Summe
Beispiel 1	87,5	2,5	0,0	2,2	7,8	100,0
Beispiel 2	88,2	2,0	0,0	1,8	8,0	100,0
Beispiel 3	85,3	3,8	0,0	3,6	7,3	100,0
Beispiel 4	83,1	5,2	0,0	4,8	6,9	100,0
Beispiel 5	81,8	6,0	0,0	5,8	6,4	100,0
Beispiel 6	83,0	5,4	0,0	4,6	7,0	100,0
Beispiel 7	87,3	0,0	2,6	2,4	7,7	100,0
Beispiel 8	85,2	0,0	3,9	3,6	7,3	100,0
Beispiel 9	82,1	0,0	5,2	4,9	7,8	100,0
Beispiel 10	82,2	0,0	5,8	5,5	6,5	100,0
Vergleichendes Beispiel 1	87,0	1,8	0,0	3,0	8,2	100,0

Tabelle 4

	Durchschnittlicher Partikeldurchmesser (nm)			Offenporigkeit	NO-Adsorption	NO-Oxidationstemperatur
	Fe_xMn_yO₄	Co₃O₄	CeO₂	(%)	(µmol/g)	(°C)
Beispiel 1	20	-	21	55	0,01	520
Beispiel 2	22	-	23	52	0,01	520
Beispiel 3	18	-	19	57	0,02	510
Beispiel 4	20	-	22	62	0,04	490
Beispiel 5	18	-	21	62	0,05	490
Beispiel 6	19	-	22	60	0,04	490
Beispiel 7	-	19	20	55	0,01	520
Beispiel 8	-	19	21	57	0,02	510
Beispiel 9	-	20	23	62	0,02	500
Beispiel 10	-	15	20	62	0,02	500
Vergleichendes Beispiel 1	50	-	55	58	0,00	540

Die porösen Keramikstrukturen 1 gemäß den Beispielen 1, 2 und 7 wurden im genannten dritten Brennschritt gebrannt. Die porösen Keramikstrukturen 1 gemäß den Beispielen 3 und 8 wurden im genannten zweiten Brennschritt gebrannt. Die porösen Keramikstrukturen 1 gemäß den Beispielen 4 bis 6, 9 und 10 wurden im genannten ersten Brennschritt gebrannt. Die Temperaturanstiegsrate C2 in der Tabelle gibt die Temperaturanstiegsrate (°C/h) in Schritt S22, der oben beschrieben ist, (d. h. die Temperaturanstiegsrate pro Stunde) an. Die Temperaturanstiegsrate C3 gibt die Temperaturanstiegsrate (°C/h) in SchrittS23, der oben beschrieben ist, an. Der Zwischenhaltezeitraum (h) gibt den Zeitraum, in dem die Temperatur bei der Kristallisationstemperatur tc gehalten wird, in Schritt S23, der oben beschrieben ist, an. Der Maximaltemperaturhaltezeitraum (h) gibt den Zeitraum, in dem die Temperatur bei der Höchsttemperatur tmax gehalten wird, in Schritt S24, der oben beschrieben ist, an.
In den Beispielen 1, 2 und 7 wurde der Zwischenhaltezeitraum im dritten Brennschritt geändert. In den Beispielen 1, 2 und 7 war die Temperaturanstiegsrate C2 12 °C/h und sowohl aus dem Bereich von 1 °C/h bis 10 °C/h als auch dem Bereich von 100 °C/h bis 200 °C/h. Die Temperaturprofile gemäß den Beispielen 1, 2 und 7 waren von dem Typ, der in 14 veranschaulicht ist. In den Beispielen 3 und 8 war die Temperaturanstiegsrate C2 während des zweiten Brennschritts 3 °C/h (d. h. im Bereich von 1 °C/h bis 10 °C/h). Es ist festzuhalten, dass der Zwischenhaltezeitraum in den Beispielen 3 und 8 nicht eingestellt war. Die Temperaturprofile gemäß den Beispielen 3 und 8 waren von dem Typ, der in 12 veranschaulicht ist.
In den Beispielen 4 bis 6, 9 und 10 war die Temperaturanstiegsrate C2 während des ersten Brennschritts im Bereich von 180 °C/h bis 200 °C/h (d. h. größer oder gleich 100 °C und kleiner oder gleich 200 °C/h). In den Beispielen 4, 5, 9 und 10 lag die Temperaturanstiegsrate C2 im Bereich von 100 °C/h bis 200 °C/h und die Temperaturanstiegsrate C3 wurde geändert. Es ist festzuhalten, dass der Zwischenhaltezeitraum in den Beispielen 4, 5, 9 und 10 nicht eingestellt war. Die Temperaturprofile gemäß den Beispielen 4, 5, 9 und 10 waren von dem Typ, der in 10 veranschaulicht ist. In Beispiel 6 lag die Temperaturanstiegsrate C2 im Bereich von 100 °C/h bis 200 °C/h und der Zwischenhaltezeitraum war zu 10 Stunden eingestellt. Das Temperaturprofil gemäß Beispiel 6 war von dem Typ, der in 11 veranschaulicht ist.
Das Fe/Mn/Co-Verhältnis in der Tabelle wurde durch Teilen der Summe des Fe-Gehalts (Massen-%) hinsichtlich Fe₂O₃, des Mn-Gehalts (Massen-%) hinsichtlich Mn₂O₃und des Co-Gehalts (Massen-%) hinsichtlich Co₃O₄ durch den CeO₂-Gehalt (Massen-%) in der Materialzusammensetzung der porösen Keramikstruktur 1 erhalten.
Die Zusammensetzung der kristallinen Phase in der porösen Keramikstruktur 1 (d. h. das Massenverhältnis von Komponenten der kristallinen Phase) wurde identifiziert und quantifiziert wie folgt. Messungen der kristallinen Phase jedes Partikels wurden an einer angefertigten Probe, unter Verwendung eines Röntgendiffraktometers (Drehgegenkathoden-Röntgendiffraktometer: RINT 2500, hergestellt von der Firma Rigaku) durchgeführt. Hier waren die Bedingungen für die Röntgendiffraktometrie eine CuKa-Strahlenquelle, 50 kV, 300 mA und 2θ im Bereich von 10 ° bis 60° und resultierende Röntgenbeugungsdaten wurden unter Verwendung einer kommerziellen Röntgendatenanalyse-Software analysiert. In der kristallinen Phase war Fe_xMn_yO₄ ein Spinell-Oxid, das aus Fe und Mn zusammengesetzt ist. In Fe_xMn_yO₄ waren x und y positive Zahlenwerte, die x + y = 3 erfüllen. Ein durchschnittlicher Partikeldurchmesser von Fe_xMn_yO₄, wobei x und y positive Zahlenwerte waren, die x + y = 3 erfüllen, wurde als der Durchmesser von Kristalliten angenommen. Der Durchmesser von Kristalliten wurde auf der Grundlage der Daten, die durch die genannte Röntgendiffraktometrie unter Verwendung des Röntgendiffraktometers erhalten wurden, durch Anwenden dieser Daten auf die Scherrer-Gleichung (τ = Kλ/βcosθ) berechnet. Hier war τ die durchschnittliche Größe von Kristalliten, war K der Formfaktor (ein Faktor, der eine Beziehung zwischen den Größen von Kristalliten, die in einem Feststoff enthalten sind, und der Spitzenbreite eines Beugungsmusters bildet), λ war die Röntgenwellenlänge, β was die Gesamtbreite beim Spitzenwert (in Einheiten von Radiant) und θ war der Bragg-Winkel. In der kristallinen Phase war Co₃O₄ ein Spinell-Oxid von Co. Ein durchschnittlicher Partikeldurchmesser von Co₃O₄ wurde auf dieselbe Weise wie der durchschnittliche Partikeldurchmesser von Fe_xMn_yO₄ erhalten. Ein durchschnittlicher Partikeldurchmesser von CeO₂ wurde auch auf dieselbe Weise erhalten. Quantifizierungen von Fe_xMn_yO₄, Co₃O₄ und CeO₂ wurden durch Rietveld-Analyse unter Verwendung der erhaltenen Röntgenbeugungsdaten durchgeführt. Die Offenporigkeit der porösen Keramikstruktur 1 wurde durch das Archimedes-Verfahren unter Verwendung von entionisiertem Wasser als Medium gemessen. Wie oben beschrieben ist, wies die poröse Keramikstruktur 1 mit zunehmender Offenporigkeit einen geringeren Druckverlust auf.
Die NO-Adsorption in der porösen Keramikstruktur 1 wurde erhalten, wie folgt. Zunächst wurde eine Adsorptionsprüfung durchgeführt durch Zuführen eines NO-haltigen Einleitgases zu einer Probe, die der porösen Keramikstruktur 1 entspricht. Das Einleitgas war ein Mischgas, das 200 ppm als Volumenanteil von NO und 10 Vol.-% von Sauerstoff (O₂) enthält und Helium (He) als ein Ausgleichsgas verwendet. Die Adsorptionsprüfung wurde bei 250 °C für 60 Minuten durchgeführt. Nachdem die Adsorptionsprüfung beendet war, wurde die Probe einer temperaturprogrammierten Desorption in He unterworfen und ein resultierendes abgeleitetes Gas wurde teilweise als Probe entnommen. Das als Probe entnommene abgeleitete Gas was dann unter Verwendung eines Massenspektrometers (GSD 320, hergestellt durch Pfeiffer-Vakuum) analysiert, um die Menge von NO, die in der Probe adsorbiert war, zu erhalten. Im Allgemeinen liegt eine Tendenz vor, dass die poröse Keramikstruktur 1 eine mit zunehmender NO-Adsorption größere katalytische Leistungsfähigkeit aufweist.
Die NO-Oxidationstemperatur der porösen Keramikstruktur 1 wurde erhalten, wie folgt. Zunächst wurde die Beziehung zwischen der Temperatur und der NO₂-UmwandIungsrate in der porösen Keramikstruktur 1 erhalten. Die NO₂-Umwandlungsrate war das Verhältnis der Umwandlung von NO zu NO₂ in einem NO-haltigen abgeleiteten Gas, das bei einer Raumgeschwindigkeit (SV) von 24400 h^-1 zur porösen Keramikstruktur 1 geliefert und durch die poröse Keramikstruktur 1 geleitet worden war. Ein Ausgangsgas enthielt 100 ppm NO, 1500 ppm CO, 5 % CO₂, 450 ppm Propan (C₃H₆) und 2 % H₂O. Eine Analyse des abgeleiteten Gases wurde durch Fourier-Transformationsinfrarotspektroskopie (FT-IR) durchgeführt. Die NO₂-UmwandIungsrate war etwa 0 % bei niedrigen Temperaturen, nahm mit steigender Temperatur allmählich zu einem Höchstwert zu und nahm dann allmählich ab. Die poröse Keramikstruktur 1 wies eine größere katalytische Leistungsfähigkeit auf, während die NO₂-UmwandIungsrate zunahm. Wenn die Beziehung zwischen der NO₂-UmwandIungsrate und der Temperatur erhalten wurde, wurde die Temperatur von der Niedertemperaturseite in Übereinstimmung mit der oben genannten Beziehung erhöht und eine Temperatur, bei der die NO₂-UmwandIungsrate die Hälfte des Höchstwerts erreichte, wurde als die NO-Oxidationstemperatur erhalten. Die poröse Keramikstruktur 1 weist eine mit abnehmender NO-Oxidationstemperatur größere katalytische Leistungsfähigkeit auf.
In den Beispielen 1 bis 6 liegt der Fe-Gehalt 2,6 Massen-% (d. h. im Bereich von 0,1 Massen-% bis 3,0 Massen-%) hinsichtlich Fe₂O₃, liegt der Mn-Gehalt 2,4 Massen-% (d. h. im Bereich von 0,1 Massen-% bis 3,0 Massen-%) hinsichtlich Mn₂O₃und liegt der Ce-Gehalt 5,0 Massen-% (d. h. im Bereich von 0,1 Massen-% bis 10 Massen-%) hinsichtlich CeO₂. Die porösen Keramikstrukturen 1 gemäß den Beispielen 1 bis 6 enthalten im Wesentlichen kein Co und deshalb ist der Co-Gehalt darin 0,0 Massen-% bezüglich Co₃O₄. Das Fe/Mn/Co-Verhältnis (d. h. das Verhältnis der Summe des Fe-Gehalts bezüglich Fe₂O₃, des Mn-Gehalts bezüglich Mn₂O₃und des Co-Gehalts bezüglich Co₃O₄ zum Ce-Gehalt bezüglich CeO₂) ist 1,0 (d. h. im Bereich von 0,8 bis 9,5).
Die porösen Keramikstrukturen 1 gemäß den Beispielen 7 bis 10 enthalten im Wesentlichen kein Fe und Mn und deshalb ist der Fe-Gehalt 0,0 Massen-% bezüglich Fe₂O₃ und ist der Mn-Gehalt 0,0 Massen-% bezüglich Mn₂O₃. Der Co-Gehalt ist 5,5 Massen-% (d. h. im Bereich von 3,0 Massen-% bis 6,0 Massen-%) hinsichtlich Co₃O₄ und der Ce-Gehalt ist 4,5 Massen-% (d. h. im Bereich von 1,5 Massen-% bis 4,5 Massen-%) hinsichtlich CeO₂. Das Fe/Mn/Co-Verhältnis ist 1,2 (d. h. im Bereich von 1,0 bis 4,0). In diesem Fall ist das Fe/Mn/Co-Verhältnis im Wesentlichen das Verhältnis des Co-Gehalts bezüglich Co₃O₄ zum Ce-Gehalt bezüglich CeO₂.
15 zeigt ein SEM-Bild der Oberfläche der porösen Keramikstruktur 1 gemäß Beispiel 3. 16 zeigt ein vergrößertes SEM-Bild der Oberfläche einer Pore 121 in der porösen Keramikstruktur 1 gemäß Beispiel 3. 17 zeigt ein SEM-Bild der Oberfläche der porösen Keramikstruktur 1 gemäß Beispiel 4. 18 zeigt ein vergrößertes SEM-Bild der Oberfläche einer Pore 121 in der porösen Keramikstruktur 1 gemäß Beispiel 4. In 15 und 17 entsprechen schwarze Abschnitte Poren 121, entsprechen graue Abschnitte der Wabenstruktur 10 und entsprechen weiße Abschnitte den Metalloxidpartikeln 2 und den cerhaltigen Partikeln 3. In 15 bis 18 sind die Metalloxidpartikel 2 und die cerhaltigen Partikel 3 an den Oberflächen der Poren 121 in der porösen Keramikstruktur 1 vorhanden.
In den Beispielen 1 bis 10 liegt der Gehalt der Metalloxidpartikel 2 im Bereich von 2,0 Massen-% bis 6,0 Massen-% (d. h. im Bereich von 0,3 Massen-% bis 8,0 Massen-%). Wie oben beschrieben ist, bezieht sich der Gehalt der Metalloxidpartikel 2 wie hierin verwendet auf das Massenverhältnis der Metalloxidpartikel 2 in der kristallinen Phase und der Summe der Massenverhältnisse von Fe_xMn_yO₄ und Co₃O₄ in der kristallinen Phase in Tabelle 3. In den Beispielen 1 bis 10 liegt der durchschnittliche Partikeldurchmesser der Metalloxidpartikel 2 im Bereich von 15 nm bis 22 nm (d. h. im Bereich von 10 nm bis 1 µm).
In den Beispielen 1 bis 10 ist die Offenporigkeit im Bereich von 52 % bis 62 % und relativ hoch, derart, dass der Druckverlust in der porösen Keramikstruktur 1 niedrig gehalten wird. In den Beispielen 1 bis 10 ist die NO-Absorption im Bereich von 0,01 (µmol/g) bis 0,05 (µmol/g) und ist die NO-Oxidationstemperatur im Bereich von 490 °C bis 520 °C und niedrig. Dies gibt an, dass die porösen Keramikstrukturen 1 eine hohe katalytische Leistungsfähigkeit aufweisen. Außerdem ist in Beispiel 5 mit einer Temperaturanstiegsrate C3 von 200 °C/h (d. h. im Bereich von 100 °C/h bis 200 °C/h) die NO-Absorption 0,05 (µmol/g) und am höchsten, was größer als die NO-Absorption (0,04 µmol/g) in Beispiel 4 mit einer Temperaturanstiegsrate C3 von 60 °C/h ist.
Andererseits ist im vergleichenden Beispiel 1 die Rohmaterialzusammensetzung gleich der Rohmaterialzusammensetzungen in den Beispielen 1 bis 6, jedoch ist Temperaturanstiegsrate C2 12 °C/h. Das heißt, die Temperaturanstiegsrate C2 im vergleichenden Beispiel 1 liegt sowohl außerhalb des Bereichs von 1 °C/h bis 10 °C/h (Beispiele 3 und 8) als auch des Bereichs von 100 °C/h bis 200 °C/h (Beispiele 4 bis 6, 9 und 10). Im Gegensatz zu den Beispielen 1, 2, 6 und 7 ist im vergleichenden Beispiel 1 der Zwischenhaltezeitraum nicht im Temperaturprofil eingestellt. Somit ist das Massenverhältnis der Metalloxidpartikel 2 in der kristallinen Phase 1,8 Massen-% und kleiner als die Massenverhältnisse in den Beispielen 1 bis 6 (im Bereich von 2,0 Massen-% bis 6,0 Massen-%). Außerdem ist der durchschnittliche Partikeldurchmesser der Metalloxidpartikel 250 nm und größer als die durchschnittlichen Partikeldurchmesser in den Beispielen 1 bis 6 (im Bereich von 18 nm bis 22 nm). Entsprechend ist im vergleichenden Beispiel 1 die NO-Absorption 0,00 (µmol/g) und die NO-Oxidationstemperatur ist 540 °C und hoch.
Wie oben beschrieben ist, enthält die poröse Keramikstruktur 1 den Strukturkörper (d. h. die Wabenstruktur 10), die cerhaltigen Partikel 3 und die Metalloxidpartikel 2. Die Wabenstruktur 10 ist ein poröses Element, das im Wesentlichen aus Cordierit gebildet ist. Die cerhaltigen Partikel 3 sind an der Wabenstruktur 10 fest angebracht. Die Metalloxidpartikel 2 sind Partikel eines Oxids, das eine Spinellstruktur besitzt, die Fe und/oder Mn und/oder Co enthält. Die Metalloxidpartikel 2 sind fest an den Innenseiten von Gashohlräumen (d. h. Poren 121) in der Wabenstruktur 10 angebracht. Die Metalloxidpartikel 2 enthalten jeweils den fest angebrachten Abschnitt 21 und den Vorsprung 22. Der fest angebrachte Abschnitt 21 befindet sich in der Wabenstruktur 10. Der Vorsprung 22 ist mit dem fest angebrachten Abschnitt 21 zusammenhängend und steht in eine Pore 121 vor.
Wenn die poröse Keramikstruktur 1 Fe enthält, liegt der Fe-Gehalt im Bereich von 0,1 Massen-% bis 3,0 Massen-% bezüglich Fe₂O₃ und wenn die poröse Keramikstruktur 1 Mn enthält, liegt der Mn-Gehalt im Bereich von 0,1 Massen-% bis 3,0 Massen-% bezüglich Mn₂O₃. Wenn die poröse Keramikstruktur 1 Co gemeinsam mit Fe oder Mn enthält, liegt der Co-Gehalt im Bereich von 0,1 Massen-% bis 3,0 Massen-% bezüglich Co₃O₄ und wenn die poröse Keramikstruktur 1 lediglich Co enthält, ohne Fe und Mn zu enthalten, liegt der Co-Gehalt im Bereich von 0,2 Massen-% bis 6,0 Massen-% bezüglich Co₃O₄. Der Ce-Gehalt liegt im Bereich von 0,1 Massen-% bis 10 Massen-% bezüglich CeO₂. Das Verhältnis der Summe des Fe-Gehalts bezüglich Fe₂O₃, des Mn-Gehalts bezüglich Mn₂O₃ und des Co-Gehalts bezüglich Co₃O₄ zum Ce-Gehalt bezüglich CeO₂ (d. h. das Fe/Mn/Co-Verhältnis) liegt im Bereich von 0,8 bis 9,5. Der Gehalt der Metalloxidpartikel 2 liegt im Bereich von 0,3 Massen-% bis 8,0 Massen-%.
Entsprechend ist es, wie in den Beispielen 1 bis 10 gezeigt ist, möglich, den Druckverlust in der porösen Keramikstruktur 1 zu verringern und die NO-Adsorption in der porösen Keramikstruktur 1 zu erhöhen. Es ist auch möglich, in der porösen Keramikstruktur 1 die NO₂-UmwandIungsrate zu erhöhen und die NO-Verbrennungstemperatur zu verringern. Außerdem ist es möglich, die Rate der Umwandlung von CO zu CO₂ und die Rate der Umwandlung von CH zu CO₂ und H₂O zu erhöhen. Mit anderen Worten ermöglicht das Einsetzen der oben beschriebenen Konfiguration der porösen Keramikstruktur 1, die poröse Keramikstruktur 1 mit geringem Druckverlust und hoher katalytischer Leistungsfähigkeit zu schaffen.
In der porösen Keramikstruktur 1 ist das Fe/Mn/Co-Verhältnis im Bereich von 0,8 bis 9,5, wie oben beschrieben ist. Somit ist es möglich, in der Herstellung der porösen Keramikstruktur 1 die Metalloxidpartikel 2 eines Oxids, das eine Spinellstruktur besitzt, vorteilhaft zu erzeugen. Da der Gehalt der Metalloxidpartikel 2 im Bereich von 0,3 Massen-% bis 8,0 Massen-% liegt, wie oben beschrieben ist, kann die poröse Keramikstruktur 1 sowohl eine Verringerung des Druckverlusts als auch eine Verbesserung der katalytischen Leistungsfähigkeit vorteilhaft erreichen.
Die poröse Keramikstruktur 1 mit geringem Druckverlust und hoher katalytischer Leistungsfähigkeit, wie oben beschrieben ist, ist insbesondere geeignet zur Verwendung in einem Dieselpartikelfilter, der Schwebstoffe in einem Abgas, das von einer Dieselkraftmaschine abgegeben wird, sammelt.
Wie oben beschrieben ist, liegt dann, wenn die poröse Keramikstruktur 1 Fe enthält, der Fe-Gehalt bevorzugt im Bereich von 1,5 Massen-% bis 3,0 Massen-% bezüglich Fe₂O₃ und liegt dann, wenn die poröse Keramikstruktur 1 Mn enthält, der Mn-Gehalt bevorzugt im Bereich von 1,5 Massen-% bis 3,0 Massen-% bezüglich Mn₂O₃. Wenn die poröse Keramikstruktur 1 Co gemeinsam mit Fe oder Mn enthält, liegt der Co-Gehalt bevorzugt im Bereich von 1,5 Massen-% bis 3,0 Massen-% bezüglich Co₃O₄ und liegt dann, wenn die poröse Keramikstruktur 1 Co enthält, ohne Fe und Mn zu enthalten, der Co-Gehalt bevorzugt im Bereich von 3,0 Massen-% bis 6,0 Massen-% bezüglich Co₃O₄. Außerdem liegt der Ce-Gehalt bevorzugt im Bereich von 1,5 Massen-% bis 4,5 Massen-% bezüglich CeO₂. Das Verhältnis der Summe des Fe-Gehalts bezüglich Fe₂O₃, des Mn-Gehalts bezüglich Mn₂O₃ und des Co-Gehalts bezüglich Co₃O₄ zum Ce-Gehalt bezüglich CeO₂ (d. h. das Fe/Mn/Co-Verhältnis) liegt bevorzugt im Bereich von 1,0 bis 4,0. Dies ermöglicht, dass die poröse Keramikstruktur 1 eine größere katalytische Leistungsfähigkeit aufweist.
Wie oben beschrieben ist, sind die Metalloxidpartikel 2 stärker bevorzugt Partikel eines Oxids, das eine Spinellstruktur besitzt, die Fe, Mn und Sauerstoff enthält, oder Partikel eines Oxids, das eine Spinellstruktur besitzt, die Co und Sauerstoff enthält. Dies ermöglicht, dass die poröse Keramikstruktur 1 eine größere katalytische Leistungsfähigkeit aufweist.
Wie oben beschrieben ist, liegt der durchschnittliche Partikeldurchmesser der Metalloxidpartikel 2 bevorzugt im Bereich von 10 nm bis 1 µm. Dies ermöglicht, dass die poröse Keramikstruktur 1 vorteilhaft sowohl eine Verringerung des Druckverlusts als auch eine Verbesserung der katalytischen Leistungsfähigkeit erreicht.
Das genannte Verfahren zum Herstellen der porösen Keramikstruktur 1 enthält den Schritt des Anfertigens gekneteten Tons durch Kneten von Rohmaterialien (Schritt S11), den Schritt des Erhaltens eines Presskörpers durch Formen des gekneteten Tons (Schritt S12) und den Schritt des Brennens des Presskörpers (Schritt S13). Die oben genannten Rohmaterialien enthalten Cordierit, Ce und Fe und/oder Mn und/oder Co. Schritt S13 bildet die poröse Keramikstruktur 1, die den porösen Strukturkörper (d. h. die Wabenstruktur 10), der im Wesentlichen aus Cordierit gebildet ist, die cerhaltigen Partikel 3, die an der Wabenstruktur 10 fest angebracht sind, und die Metalloxidpartikel 2, d. h. Partikel eines Oxids, das eine Spinellstruktur besitzt, die Fe und/oder Mn und/oder Co enthält, und die an den Innenseiten von Gashohlräumen (d. h. Poren 121) in der Wabenstruktur 10 fest angebracht sind, enthält.
Schritt S13 enthält den Schritt des Erhöhens der Temperatur des genannten Presskörpers zu der ersten Temperatur t₁, die kleiner oder gleich der Flüssigphasenbildungstemperatur t_L ist (Schritt S21), den Schritt des Erhöhens der Temperatur des Presskörpers von der ersten Temperatur t₁ zu der zweiten Temperatur t₂, die größer als die Flüssigphasenbildungstemperatur t_L und kleiner als die Kristallisationstemperatur tc der Metalloxidpartikel 2 ist (Schritt S22), den Schritt des Erhöhens der Temperatur des Presskörpers von der zweiten Temperatur t₂ zu der dritten Temperatur t₃, die größer als die Kristallisationstemperatur tc und kleiner oder gleich der Höchsttemperatur tmax ist (Schritt S23), und den Schritt des Haltens der Temperatur des Presskörpers bei der Höchsttemperatur tmax für einen vorgegebenen Zeitraum (d. h. den Maximaltemperaturhaltezeitraum) (Schritt S24). Im genannten ersten Brennschritt liegt die Temperaturanstiegsrate C2 in Schritt S22 im Bereich von 100 °C/h bis 200 °C/h. Dieses Herstellungsverfahren ermöglicht ein einfaches Herstellen der porösen Keramikstruktur 1 mit geringem Druckverlust und hoher katalytischer Leistungsfähigkeit, wie in den Beispiele 4 bis 6, 9 und 10 gezeigt ist.
Wie oben beschrieben ist, liegt die Temperaturanstiegsrate C3 in Schritt S23 bevorzugt auch im Bereich von 100 °C/h bis 200 °C/h. Dies ermöglicht, dass die poröse Keramikstruktur 1 eine hohe katalytische Leistungsfähigkeit aufweist.
Bevorzugt wird in Schritt S23 die Temperatur des genannten Presskörpers für einen vorgegebenen Zeitraum (d. h. den Zwischenhaltezeitraum) bei der Kristallisationstemperatur tc gehalten. Dies ermöglicht, dass die poröse Keramikstruktur 1 eine hohe katalytische Leistungsfähigkeit aufweist.
Schritt S13, der oben beschrieben ist, enthält die Schritte S21 bis S24 und im genannten zweiten Brennschritt liegt die Temperaturanstiegsrate C2 in Schritt S22 im Bereich von 1 °C/h bis 10 °C/h. Dieses Herstellungsverfahren ermöglicht ein einfaches Herstellen der porösen Keramikstruktur 1 mit geringem Druckverlust und hoher katalytischer Leistungsfähigkeit, wie in den Beispielen 3 und 8 gezeigt ist.
Bevorzugt wird in Schritt S23 die Temperatur der genannten Komponente für einen vorgegebenen Zeitraum (d. h. den Zwischenhaltezeitraum) bei der Kristallisationstemperatur tc gehalten. Dies ermöglicht, dass die poröse Keramikstruktur 1 eine größere katalytische Leistungsfähigkeit aufweist.
Schritt S13, der oben beschrieben ist, enthält Schritt S21 bis S24 und im genannten dritten Brennschritt wird die Temperatur des genannten Presskörpers für einen vorgegebenen Zeitraum (d. h. den Zwischenhaltezeitraum) bei der Kristallisationstemperatur tc gehalten. Dieses Herstellungsverfahren ermöglicht ein einfaches Herstellen der porösen Keramikstruktur 1 mit geringem Druckverlust und hoher katalytischer Leistungsfähigkeit, wie in den Beispielen 1, 2 und 7 gezeigt ist.
Die poröse Keramikstruktur 1 und das Verfahren zum Herstellen der porösen Keramikstruktur 1, die oben beschrieben sind, können auf verschiedene Arten geändert werden.
Zum Beispiel kann der durchschnittliche Partikeldurchmesser der Metalloxidpartikel 2 im Bereich von 10 nm bis 1 µm liegen.
Die Metalloxidpartikel 2 können Partikel eines Oxids sein, das eine Spinellstruktur besitzt, die lediglich eines von Fe und Mn enthält. Die Metalloxidpartikel 2 können auch Partikel eines Oxids sein, das eine Spinellstruktur besitzt, die Fe und Co enthält, jedoch kein Mn enthält, oder können Partikel eines Oxids sein, das eine Spinellstruktur besitzt, die Mn und Co enthält, jedoch kein Fe enthält. Die Metalloxidpartikel 2 können auch Partikel eines Oxids sein, das eine Spinellstruktur besitzt, die alle von Fe, Mn und Co enthält. Die Metalloxidpartikel 2 können ein Metall außer Fe, Mn und Co enthalten.
In der porösen Keramikstruktur 1 können Partikel außer den cerhaltigen Partikeln 3 und den Metalloxidpartikeln 2 an der Wabenstruktur 10 (d. h. dem Strukturkörper) fest angebracht sein.
In der porösen Keramikstruktur 1 ist die Form des genannten Strukturkörpers nicht auf eine Wabenform beschränkt und kann eine von verschieden Formen (z. B. eine im Allgemeinen zylindrische Form) außer der Wabenform sein.
Das Verfahren zum Herstellen der porösen Keramikstruktur 1 ist nicht auf das oben beschriebene Verfahren beschränkt und kann auf verschiedene Arten geändert werden.
Die poröse Keramikstruktur 1 kann in Anwendungen außer zur Verwendung in Dieselpartikelfiltern verwendet werden.
Die Konfigurationen der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen und Variationen können geeignet kombiniert werden, solange keine wechselseitigen Inkonsistenzen vorliegen.
Während die Erfindung genau gezeigt und beschrieben wurde, ist die vorhergehende Beschreibung in allen Aspekte veranschaulichend und nicht einschränkend. Es versteht sich deshalb, dass zahlreiche Änderungen und Variationen entwickelt werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.
Industrielle Verwendbarkeit
Die vorliegende Erfindung ist auf Filter, die Schwebstoffe sammeln, z. B. Dieselpartikelfilter, die Schwebstoffe in Abgasen, die von Dieselkraftmaschinen abgegeben werden, sammeln, anwendbar.
Bezugszeichenliste

1: Poröse Keramikstruktur
2: Metalloxidpartikel
3: Cerhaltige Partikel
10: Wabenstruktur
21: Fest angebrachter Abschnitt
22: Vorsprung
81: DPF
83: CSF
S11 bis S13, S21 bis S24: Schritt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2020057683 [0002]
JP 2017186220 [0003]
JP 201830105 [0004]
JP 2017171543 [0004]

Claims

Poröse Keramikstruktur, die Folgendes umfasst: einen porösen Strukturkörper, der im Wesentlichen aus Cordierit gebildet ist; cerhaltige Partikel, die fest am Strukturkörper angebracht sind; und Metalloxidpartikel, die jeweils fest an einer Innenseite einer Pore im Strukturkörper angebracht sind, wobei die Metalloxidpartikel Partikel eines Oxids sind, das eine Spinellstruktur besitzt, die Eisen und/oder Mangan und/oder Kobalt enthält, wobei die Metalloxidpartikel Folgendes enthalten: einen fest angebrachten Abschnitt, der sich im Strukturkörper befindet; und einen Vorsprung, der mit dem fest angebrachten Abschnitt zusammenhängt und in die Pore vorsteht, wobei dann, wenn die poröse Keramikstruktur Eisen enthält, ein Eisengehalt im Bereich von 0,1 Massen-% bis 3,0 Massen-% bezüglich Fe₂O₃ liegt, dann, wenn die poröse Keramikstruktur Mangan enthält, ein Mangangehalt im Bereich von 0,1 Massen-% bis 3,0 Massen-% bezüglich Mn₂O₃ liegt, dann, wenn die poröse Keramikstruktur Kobalt gemeinsam mit Eisen oder Mangan enthält, ein Kobaltgehalt im Bereich von 0,1 Massen-% bis 3,0 Massen-% bezüglich Co₃O₄ liegt, dann, wenn die poröse Keramikstruktur Kobalt enthält, ohne Eisen und Mangan zu enthalten, der Kobaltgehalt im Bereich von 0,2 Massen-% bis 6,0 Massen-% bezüglich Co₃O₄ liegt, ein Cer-Gehalt im Bereich von 0,1 Massen-% bis 10 Massen-% bezüglich CeO₂ liegt, ein Verhältnis einer Summe des Eisengehalts bezüglich Fe₂O₃, des Mangangehalts bezüglich Mn₂O₃ und des Kobaltgehalts bezüglich Co₃O₄ zum Cer-Gehalt bezüglich CeO₂ im Bereich von 0,8 bis 9,5 liegt und ein Gehalt der Metalloxidpartikel im Bereich von 0,3 Massen-% bis 8,0 Massen-% liegt.
Poröse Keramikstruktur nach Anspruch 1, wobei dann, wenn die poröse Keramikstruktur Eisen enthält, der Eisengehalt im Bereich von 1,5 Massen-% bis 3,0 Massen-% bezüglich Fe₂O₃ liegt, dann, wenn die poröse Keramikstruktur Mangan enthält, der Mangangehalt im Bereich von 1,5 Massen-% bis 3,0 Massen-% bezüglich Mn₂O₃ liegt, dann, wenn die poröse Keramikstruktur Kobalt gemeinsam mit Eisen oder Mangan enthält, der Kobaltgehalt im Bereich von 1,5 Massen-% bis 3,0 Massen-% bezüglich Co₃O₄ liegt, dann, wenn die poröse Keramikstruktur Kobalt enthält, ohne Eisen und Mangan zu enthalten, der Kobaltgehalt im Bereich von 3,0 Massen-% bis 6,0 Massen-% bezüglich Co₃O₄ liegt, der Cer-Gehalt im Bereich von 1,5 Massen-% bis 4,5 Massen-% bezüglich CeO₂ liegt und das Verhältnis der Summe des Eisengehalts bezüglich Fe₂O₃, des Mangangehalts bezüglich Mn₂O₃ und des Kobaltgehalts bezüglich Co₃O₄ zum Cer-Gehalt bezüglich CeO₂ im Bereich von 1,0 bis 4,0 liegt.
Poröse Keramikstruktur nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Metalloxidpartikel Partikel eines Oxids, das eine Spinellstruktur besitzt, die Eisen, Mangan und Sauerstoff enthält, oder Partikel eines Oxids, das eine Spinellstruktur besitzt, die Kobalt und Sauerstoff enthält, sind.
Poröse Keramikstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Metalloxidpartikel einen durchschnittlichen Partikeldurchmesser besitzen, der im Bereich von 10 nm bis 1 µm liegt.
Poröse Keramikstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Verwendung in einem Dieselpartikelfilter, der Schwebstoffe in einem Abgas, das von einer Dieselkraftmaschine abgegeben wird, sammelt.
Verfahren zum Herstellen einer porösen Keramikstruktur, das Folgendes umfasst: a) Anfertigen gekneteten Tons durch Kneten eines Rohmaterials; b) Erhalten eines Presskörpers durch Formen des gekneteten Tons und c) Brennen des Presskörpers, wobei das Rohmaterial Folgendes enthält: Cordierit; Cer und Eisen und/oder Mangan und/oder Kobalt, wobei der Vorgang c) eine poröse Keramikstruktur bildet, die einen porösen Strukturkörper, der im Wesentlichen aus Cordierit gebildet ist, cerhaltige Partikel, die fest am Strukturkörper angebracht sind, und Metalloxidpartikel, die jeweils fest an einer Innenseite einer Pore im Strukturkörper angebracht sind, enthält, wobei die Metalloxidpartikel Partikel eines Oxids sind, das eine Spinellstruktur besitzt, die Eisen und/oder Mangan und/oder Kobalt enthält, der Vorgang c) Folgendes enthält: c1) Erhöhen einer Temperatur des Presskörpers zu einer ersten Temperatur, die kleiner oder gleich einer Flüssigphasenbildungstemperatur ist; c2) Erhöhen der Temperatur des Presskörpers von der ersten Temperatur zu einer zweiten Temperatur, die größer als die Flüssigphasenbildungstemperatur und kleiner als eine Kristallisationstemperatur der Metalloxidpartikel ist; c3) Erhöhen der Temperatur des Presskörpers von der zweiten Temperatur zu einer dritten Temperatur, die größer als die Kristallisationstemperatur und kleiner oder gleich einer Höchsttemperatur ist; und c4) Halten der Temperatur des Presskörpers für einen vorgegebenen Zeitraum bei der Höchsttemperatur, und eine Rate des Erhöhens der Temperatur im Vorgang c2) im Bereich von 100 °C/h bis 200 °C/h liegt.
Verfahren zum Herstellen einer porösen Keramikstruktur nach Anspruch 6, wobei eine Rate des Erhöhens der Temperatur im Vorgang c3) im Bereich von 100 °C/h bis 200 °C/h liegt.
Verfahren zum Herstellen einer porösen Keramikstruktur, das Folgendes umfasst: a) Anfertigen gekneteten Tons durch Kneten eines Rohmaterials; b) Erhalten eines Presskörpers durch Formen des gekneteten Tons und c) Brennen des Presskörpers, wobei das Rohmaterial Folgendes enthält: Cordierit; Cer und Eisen und/oder Mangan und/oder Kobalt, wobei der Vorgang c) eine poröse Keramikstruktur bildet, die einen porösen Strukturkörper, der im Wesentlichen aus Cordierit gebildet ist, cerhaltige Partikel, die fest am Strukturkörper angebracht sind, und Metalloxidpartikel, die jeweils fest an einer Innenseite einer Pore im Strukturkörper angebracht sind, enthält, wobei die Metalloxidpartikel Partikel eines Oxids sind, das eine Spinellstruktur besitzt, die Eisen und/oder Mangan und/oder Kobalt enthält, der Vorgang c) Folgendes enthält: c1) Erhöhen einer Temperatur des Presskörpers zu einer ersten Temperatur, die kleiner oder gleich einer Flüssigphasenbildungstemperatur ist; c2) Erhöhen der Temperatur des Presskörpers von der ersten Temperatur zu einer zweiten Temperatur, die größer als die Flüssigphasenbildungstemperatur und kleiner als eine Kristallisationstemperatur der Metalloxidpartikel ist; c3) Erhöhen der Temperatur des Presskörpers von der zweiten Temperatur zu einer dritten Temperatur, die größer als die Kristallisationstemperatur und kleiner oder gleich einer Höchsttemperatur ist; und c4) Halten der Temperatur des Presskörpers für einen vorgegebenen Zeitraum bei der Höchsttemperatur, und eine Rate des Erhöhens der Temperatur im Vorgang c2) im Bereich von 1 °C/h bis 10 °C/h liegt.
Verfahren zum Herstellen einer porösen Keramikstruktur nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Temperatur des Presskörpers im Vorgang c3) für einen vorgegebenen Zeitraum bei der Kristallisationstemperatur gehalten wird.
Verfahren zum Herstellen einer porösen Keramikstruktur, das Folgendes umfasst: a) Anfertigen gekneteten Tons durch Kneten eines Rohmaterials; b) Erhalten eines Presskörpers durch Formen des gekneteten Tons und c) Brennen des Presskörpers, wobei das Rohmaterial Folgendes enthält: Cordierit; Cer und Eisen und/oder Mangan und/oder Kobalt, wobei der Vorgang c) eine poröse Keramikstruktur bildet, die einen porösen Strukturkörper, der im Wesentlichen aus Cordierit gebildet ist, cerhaltige Partikel, die fest am Strukturkörper angebracht sind, und Metalloxidpartikel, die jeweils fest an einer Innenseite einer Pore im Strukturkörper angebracht sind, enthält, wobei die Metalloxidpartikel Partikel eines Oxids sind, das eine Spinellstruktur besitzt, die Eisen und/oder Mangan und/oder Kobalt enthält, der Vorgang c) Folgendes enthält: c1) Erhöhen einer Temperatur des Presskörpers zu einer ersten Temperatur, die kleiner oder gleich einer Flüssigphasenbildungstemperatur ist; c2) Erhöhen der Temperatur des Presskörpers von der ersten Temperatur zu einer zweiten Temperatur, die größer als die Flüssigphasenbildungstemperatur und kleiner als eine Kristallisationstemperatur der Metalloxidpartikel ist; c3) Erhöhen der Temperatur des Presskörpers von der zweiten Temperatur zu einer dritten Temperatur, die größer als die Kristallisationstemperatur und kleiner oder gleich einer Höchsttemperatur ist; und c4) Halten der Temperatur des Presskörpers für einen vorgegebenen Zeitraum bei der Höchsttemperatur, und die Temperatur des Presskörpers im Vorgang c3) für einen vorgegebenen Zeitraum bei der Kristallisationstemperatur gehalten wird.