DE10306054A1

DE10306054A1 - Katalysatorkörper

Info

Publication number: DE10306054A1
Application number: DE10306054A
Authority: DE
Inventors: Miho Ito; Jun Hasegawa; Tosiharu Kondo; Tomohiko Nakanishi
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-02-14
Filing date: 2003-02-13
Publication date: 2003-12-18
Also published as: US7129193B2; US20030158035A1; CN1438073B; CN1438073A; JP4271400B2; JP2003236381A

Abstract

Die Erfindung zielt darauf ab, einen Katalysatorkörper bereitzustellen, der eine geringere Verschlechterung eines Katalysators aufgrund thermischer Haltbarkeit zeigt und eine höhere Katalysatorleistung für eine lange Zeit beibehalten kann. Eine Katalysatorkomponente, wie etwa Pt, wird direkt durch Zr, W etc., die Elemente innerhalb eines Trägers, wie etwa Al von Cordierit ersetzen, geträgert, um einen Katalysatorkörper bereitzustellen, ohne eine Beschichtungsschicht zu bilden. Eine Kombination der Katalysatorkomponente und des Elements innerhalb des Trägers wird ausgewählt, so dass die Trägerfestigkeit größer als 5 eV durch Simulation unter Verwendung eines funktionalen Dichteverfahrens ist. Die Vergröberung der Katalysatorteilchen kann unterdrückt werden und ein Hochleistungskatalysatorkörper, der eine herausragende thermische Haltbarkeit besitzt, kann erhalten werden.

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf einen Katalysatorkörper, der eines Automobilmotors verwendet wird.

Verschiedene Katalysatoren sind in der Vergangenheit vorgeschlagen worden, um schädliche Substanzen, die aus einem Automobilmotor ausgestoßen werden, zu reinigen. Der Abgasreinigungskatalysator verwendet im Allgemeinen eine Cordierit-Honigwabenstruktur mit einem hohen terminalen Stoßwiderstand als einen Träger. Nachdem eine Beschichtungsschicht, die aus γ-Aluminiumoxid gebildet ist, auf eine Oberfläche gebildet ist, wird ein Katalysatoredelmetall, wie etwa Pt, geträgert. Der Grund, warum die Beschichtungsschicht gebildet wird, ist, dass das Cordierit eine kleine spezifische Oberfläche besitzt und als solches die Katalysatorkomponente nicht trägern kann. Eine notwendige Menge der Katalysatorkomponente kann geträgert werden, wenn die Oberfläche des Trägers durch Verwendung eines Materials mit hoher spezifischer Oberfläche, wie etwa γ-Aluminiumoxid, erhöht wird.

Jedoch führt die Bildung der Beschichtungsschicht zu einer Erhöhung der Wärmekapazität des Trägers und ist deshalb zur frühen Aktivierung unvorteilhaft. Zudem wird sich ein Druckverlust erhöhen, da die offene Fläche klein wird. Da darüber hinaus γ-Aluminiumoxid selbst einen geringen Wärmewiderstand besitzt, besteht das Problem, das die Katalysatorkomponente sich aggregiert und die Reinigungsleistung erheblich abfällt. Daher ist in den letzten Jahren nach einem Verfahren zum direkten Trägern einer notwendigen Menge der Katalysatorkomponente ohne Bildung der Beschichtungsschicht gesucht worden. Zum Beispiel schlägt die geprüfte Japanische Patentanmeldung (Kokoku) Nr. 5-50338 ein Verfahren vor, das eine Säurebehandlung und eine Hitzebehandlung durchführt, um spezifische Komponenten zu eluieren und die spezifische Oberfläche des Cordierit selbst verbessert. Jedoch beinhaltet dieses Verfahren das Problem, dass die Säurebehandlung und die Wärmebehandlung das Kristallgitter des Cordierits zerstört und die Festigkeit verringert.

Andererseits haben die Erfinder zuvor einen keramischen Träger vorgeschlagen, der keine Beschichtungsschicht zum Verbessern einer spezifischen Oberfläche benötigt, sondern eine notwendige Menge von Katalysatorkomponenten ohne Verringerung der Festigkeit trägern kann (Japanischen Ungeprüfte Patentanmeldung Nr. 2001-310128). Dieser keramische Träger bildet Mikroporen, die nicht als eine spezifische Oberfläche gemessen werden kann, wie etwa Sauerstoffdefekt und Gitterdefekt in einem Kristallgitter, sehr kleine Risse mit einer Breite von 100 nm oder darunter, und trägert einen Katalysator. Daher kann der keramische Träger direkt die Katalysatorkomponente trägern, während die Festigkeit beibehalten wird.

Jedoch hat sich herausgestellt, dass, wenn die feinen Poren auf der Oberfläche des keramischen Substrats gemäß dem in der Japanischen Ungeprüften Patentanmeldung Nr. 2001-310128 beschriebenen Verfahren gebildet werden und ein Katalysatorkörper, der eine Katalysatorkomponente direkt trägert, einen thermischen Haltbarkeitstest (zum Beispiel bei 1000°C für 24 Stunden in einer Atmosphäre) unterzogen wird, der Katalysatorteilchendurchmesser in einigen Fällen größer wird als vor dem thermischen Haltbarkeitstest. Dies ist, da die Trägerfestigkeit abhängig von der Art des keramischen Substrats und abhängig von der Kombination der feinen Poren und der Katalysatorkomponente variiert. Wenn das Binden mit der Katalysatorkomponente nicht ausreichend ist, bewegt sich die Katalysatorkomponente aufgrund thermische Vibration und die Teilchen werden wachsen, wodurch die Reinigungsleistung herabgesetzt wird.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung einen Katalysatorkörper zu erreichen, der weniger Abschwächung eines Katalysators aufgrund der thermischen Haltbarkeit zeigt, aber eine höhere Katalysatorleistung für eine lange Zeit beibehalten kann.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Katalysatorkörper bereitgestellt, der eine Katalysatorkomponente auf eine Oberfläche eines Trägers direkt trägert, wobei die Katalysatorkomponente direkt durch Elemente innerhalb des Trägers geträgert wird. Die Katalysatorkomponente kann zu dem direkt durch feine Poren, die in dem Träger gebildet werden, geträgert werden. In der Erfindung wird eine Kombination der Katalysatorkomponente und des Elements oder der feine Pore innerhalb des Trägers ausgewählt, so dass die Trägerfestigkeit der Katalysatorkomponente durch das Element oder die feine Pore innerhalb des Trägers größer als 5 eV durch Simulation unter Verwendung eines funktionalen Dichteverfahrens ist.

In dem Katalysatorkörper gemäß der Erfindung, wird die Katalysatorkomponente direkt durch das Element oder die feine Pore innerhalb des Trägers durch chemische Adsorption geträgert. Im Vergleich mit keramischen Körpern gemäß dem Stand der Technik, die physikalische Adsorption verwenden, ist die Trägerfestigkeit höher und der thermische Abbau tritt schwieriger auf. Wenn die Kombination, die die Trägerfestigkeit von wenigstens 5 eV gewährleistet, durch Simulation unter Verwendung des funktionalen Dichteverfahrens ausgewählt wird, tritt die Adsorption in einem Bereich der chemischen Adsorption ein, wo eine Adsorptionsstelle eine Positionsselektivität besitzt, und die Katalysatorkomponente fest an das Element oder die feine Pore adsorbiert wird. Daher kann die Bewegung der Katalysatorteilchen und deren Vergrößerung aufgrund der thermischen Vibration unterdrückt werden, und ein Hochleistungskatalysatorkörper mit herausragender Haltbarkeit kann erreicht werden.

In einem zweiten Aspekt der Erfindung ist der vorstehend beschriebene Träger ein keramischer Träger. Da der keramische Träger einen herausragenden Wärmewiderstand besitzt, ist dieser für einen Katalysator, der aber bei einer hohen Temperatur verwendet wird, wie etwa in einem Automobil, geeignet.

In einem dritten Aspekt der Erfindung werden das Element oder die feine Pore innerhalb des Trägers und die Katalysatorkomponente derart ausgewählt, dass die Trägerfestigkeit der Katalysatorkomponente durch das Element oder die feine Pore innerhalb des Trägers wenigstens 15 eV durch Simulation unter Verwendung des funktionalen Dichteverfahrens beträgt. Auf diese Weise kann die Trägerfestigkeit weiter verbessert werden, und der Katalysatorkörper unterzieht sich kaum einem Abbau.

In einem vierten Aspekt der Erfindung besitzt der vorstehend beschriebene Träger einen Aufbau, in welchem eine oder mehrere Arten von konstituierenden bzw. zusammensetzenden Elementen des Substrats durch Elemente ersetzt werden, die sich von den konstituierenden Elementen unterscheiden. Es ist so möglich, das Element oder die Elemente einzuführen, die sich leicht einer chemischen Adsorption mit der Katalysatorkomponente in dem Träger unterziehen. Da das Ersatzelement bzw. ersetzende Element die Katalysatorkomponente direkt trägert, kann ein Katalysatorkörper mit der gewünschten Trägerfestigkeit leicht erhalten werden.

In einem fünften Aspekt der Erfindung ist das Ersatzelement wenigstens einer Art von Elementen mit einem d oder f Orbital in dessen Elektronenorbital. Das Element mit dem d oder f Orbital kann das Elektron des d oder f Orbitals der Katalysatorkomponente leicht austauschen, und kann daher die Katalysatorkomponente chemisch adsorbieren. Wenn ein derartiges Element als das Ersatzelement ausgewählt wird, kann der Katalysator direkt geträgert werden.

In einem sechsten Aspekt der Erfindung wird die Katalysatorkomponente durch das Element direkt geträgert, das das Substrat des vorstehend beschriebenen Trägers zusammensetzt. Wenn die konstituierenden Elemente des Trägers das Element enthalten, das sich leicht mit der Katalysatorkomponente bindet, kann die Katalysatorkomponente leicht geträgert werden, ohne dass das Ersatzelement eingeführt wird.

In einem siebten Aspekt der Erfindung ist die vorstehend beschriebene feine Pore wenigstens eine Art, die ausgewählt ist aus: dem Defekt in dem das Substrat konstituierenden Kristallgitter, dem feinen Riss auf der Substratoberfläche, und dem Defekt des das Substrat konstituierenden Elements. Wenn die auf diese Weise gebildete feine Pore der Trägeroberfläche bereitgestellt wird, können diese feine Poren die Katalysatorkomponente direkt trägern.

In einem achten Aspekt der Erfindung umfasst die feine Pore den Defekt innerhalb des Kristallgitters, der durch Ersetzen eines oder mehrere Arten der konstituierenden Elementen des Substrats durch Elemente, die sich von den konstituierenden Elementen unterscheiden, gebildet wird.

Wenn die konstituierenden Elementen durch Elemente mit unterschiedlicher Valenz ersetzt werden, tritt der Defekt in dem Kristallgitter auf, und dieser Defekt kann die Katalysatorkomponente direkt trägern. Der Gitterdefekt kann zum Beispiel die Katalysatorkomponente in physikalischen Höhlen, die in dem Kristallgitter gebildet werden, direkt trägern, und eine höhere Trägerfestigkeit kann durch den Ankereffekt als durch physikalische Adsorption an der Oberfläche der Beschichtungsschicht, wie in den Technologien des Stands der Technik, erreicht werden.

In einem neunten Aspekt der Erfindung enthält das vorstehend beschriebene Substrat des Trägers als dessen Hauptkomponente Cordierit, Zeolith, Perovskit, Titandioxid, Siliciumdioxid, Cerdioxid, Zirkonoxid, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Spinel, Mullit, Aluminiumtitanat, Zirkonphosphat, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Siliciumdioxid-Aluminiumoxid oder deren Derivate. Wenn die Kombination der konstituierenden Elemente der Keramiken, die eingeführten Ersatzelemente und die Katalysatorkomponente in geeigneter Weise ausgewählt wird, wird es möglich, einen Katalysatorkörper zu erhalten, der eine Trägerfestigkeit eines gewünschten Niveaus besitzt und der nicht leicht einem Abbau unterzogen wird.

In einem zehnten Aspekt der Erfindung verwendet die Katalysatorkomponente wenigstens eine Art der Elemente, oder eine Mischung oder eine feste Lösung aus wenigstens zwei Arten von Elementen, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Pt, Pd, Rh, Ag, Au, Ce und deren Oxiden besteht. Die Katalysatorkomponente kann wenigstens eine Art von Elementen, oder eine Mischung oder eine feste Lösung aus zwei oder mehreren Arten von Elementen, die aus Übergangsmetallelementen und deren Oxiden ausgewählt sind, sein. Wenn die Elemente in geeigneter Weise gemäß der Anmeldung ausgewählt werden, kann die Katalysatorleistung verbessert werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine Struktur eines Katalysatorkörpers gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ist ein Diagramm, das einen Zusammenhang in der Trägerfestigkeit zwischen einem Übergangsmetallkeim als ein Ersatzelement, das in ein Trägersubstrat eingeführt wurde, und einem Katalysatorelement im Vergleich mit dem Fall zeigt, bei dem das Trägersubstrat γ-Aluminiumoxid ist; und

Fig. 3 zeigt ein Elektronendichte-Zustandsdiagramm, wenn eine Katalysatorkomponente (Pt) chemisch an ein Ersatzelement (W) innerhalb eines Trägersubstrats adsorbiert wird.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Die Erfindung wird nachstehend anhand der begleitenden Zeichnungen erläutert werden. Ein Katalysatorkörper gemäß der Erfindung trägert die Katalysatorkomponente auf der Oberfläche eines Trägers direkt, und die Katalysatorkomponente wird direkt durch wenigstens eines der Elemente und der feinen Poren innerhalb des Trägers geträgert. Der Träger verwendet einen keramischen Träger, wie etwa einen Träger, der aus Cordierit, als eine Hauptkomponente, besteht und eine theoretische Zusammensetzung von 2MgO.2Al₂O₃.5SiO₂ besitzt. Cordierit besitzt einen hohen Wärmewiderstand und ist als ein Träger für einen Automobilkatalysator, der unter einer hohen Temperaturbedingung verwendet wird, geeignet. Es ist auch möglich, keramische Träger zu verwenden, die sich von Cordierit unterscheiden, wie etwa diejenigen, die Zeolith, Perovskit, Titandioxid, Siliciumdioxid, Cerdioxid, Zirkonoxid, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Spinel, Mullit, Aluminiumtitanat, Zirkonphosphat, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Siliciumdioxid-Aluminiumoxid und deren Derivate als deren Hauptkomponenten verwenden.

Diese keramischen Substrate werden in eine vorher bestimmte Gestalt geformt und die Form wird dann gesintert, um den keramischen Träger zu ergeben. Der keramische Träger kann eine Honigwabenstruktur mit einer großen Zahl von Zellen parallel zu einer Gasstromrichtung sein. Die Zellengestalt kann rechteckig, polygonal und verschiedene andere Gestalten sein. Die Trägergestalt ist nicht auf die Honigwabenstruktur begrenzt, sondern kann verschiedene andere Gestalten, wie etwa Pellet, Pulver, Schaum, Hohlfaser, Faser usw. annehmen.

Die Katalysatorkomponente, die durch diesen keramischen Träger geträgert wird, ist wenigstens eine Art von Metall, und eine Mischung oder eine feste Lösung von wenigstens zwei Arten von Metallen, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Pt, Pd, Rh, Ag, Au und Ce und deren Oxiden besteht, und wenigstens eine Art eines Übergangsmetallselements und dessen Oxid oder eine Mischung oder eine feste Lösung aus wenigstens zwei Arten von Übergangsmetallelementen und deren Oxiden. Diese Katalysatorkomponenten werden in Übereinstimmung mit dem Substrat des keramischen Trägers ausgewählt, so dass die Trägerfestigkeit mit dem Element oder dem Defekt innerhalb des keramischen Trägers eine vorbestimmte Festigkeit abhängig von der Anwendung erreicht.

In dem Katalysatorkörper der Erfindung werden diese Katalysatorkomponenten direkt durch chemische Adsorption durch das Element oder feine Poren innerhalb des keramischen Trägers geträgert. Das Elemente innerhalb des keramischen Trägers kann ein konstituierendes Element des Trägersubstrats oder ein Ersatzelement sein, das in das Substrat eingeführt wird, während das konstituierende Substratelement ersetzt wird. Wenn der keramische Träger zum Beispiel W, Ti, Co und Mo als die konstituierenden Elemente enthält, können die Katalysatorkomponenten direkt durch diese Elemente geträgert werden. Beispiele für einen derartigen keramischen Träger beinhalten Wolframoxid (WO₃) und Titandioxid (TiO₂). Diese Elemente, die eine chemische Adsorption leichter erreichen können als diese konstituierenden Elemente, können verwendet werden, um die Letzteren zu ersetzen, und die Katalysatorkomponenten können direkt mit höhere Trägerfestigkeit geträgert werden. Wenn andererseits der keramische Träger Al, Si und Mg enthält, wird wenigstens eines der konstituierenden Substratelemente vorzugsweise durch ein Element ersetzt, das sich von den konstituierenden Elementen unterscheidet, da das Cordierit als solches die Katalysatorkomponente nicht chemisch adsorbiert, und die Katalysatorkomponenten direkt durch das Ersatzelement geträgert werden können. Auf diese Weise kann die Katalysatorkomponente geträgert werden und der reduzierende Effekt der thermischen Kapazität und der Druckverlust kann erreicht werden, ohne die Beschichtungsschicht mit einer hohen spezifischen Oberfläche, wie etwa γ-Aluminiumoxid, zu bilden.

Die Elemente zum Ersetzen der konstituierenden Elemente des keramischen Substrats, oder die Elemente zum Ersetzen von Si, Al und Mg als die konstituierenden Elemente, die sich von Sauerstoff im Fall von zum Beispiel Cordierit unterscheiden, weisen eine höhere Trägerfestigkeit für die Katalysatorkomponente auf, um als die konstituierenden Elemente geträgert zu werden, und können die Katalysatorkomponenten durch chemische Adsorption trägern. Konkreter gesprochen, unterscheiden sich die Ersatzelemente von konstituierenden Elementen und besitzen ein d oder f Orbital in deren Elektronenorbital. Vorzugsweise besitzen die Ersatzelemente ein leeres Orbital in dem d oder f Orbital und zwei oder mehrere Oxidationszustände. Da die Katalysatorkomponenten, die geträgert werden, zudem das d oder f Orbital besitzen, besitzen die Elemente mit dem leeren Orbital in dem d oder f Orbital ein approximiertes Energieniveau, können die Elektronen leicht austauschen und können mit den Katalysatorkomponenten leicht binden. Die Elemente mit zwei Oxidationszuständen können die Elektronen auch leicht austauschen und man nimmt an, dass sie ähnliche Effekte zeigen, da die Änderung der Valenz relativ leicht auftritt.

Konkrete Beispiele der Elemente mit dem leeren Orbital in dem d oder f Orbital sind W, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zr, Mo, Ru, Rh, Ce, Ir und Pt. Wenigstens eine Art von diesen Elementen kann verwendet werden. Unter diesen Elementen sind W, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Mo, Ru, Rh, Ce, Ir und Pt die Elemente mit zwei oder mehreren Oxidationszuständen.

Die Menge des Ersatzelements ist derart, dass die gesamte Ersatzmenge 0,01 bis 50%, vorzugsweise 5 bis 20% der Atomzahl des konstituierenden zu ersetzenden Elementes beträgt. Wenn das Ersatzelement sich in der Valenz von derjenigen des konstituierenden Elements der Keramik unterscheidet, tritt der Gitterdefekt oder der Sauerstoffdefekt gleichzeitig in Übereinstimmung mit der Differenz der Valenz auf. In der Erfindung können die feinen Poren, die durch diese Defekte gebildet werden, die Katalysatorkomponente trägern. Alternativ wird eine Vielzahl von Ersatzelementen auf eine derartige Weise verwendet, dass die Summe der Oxidationszahl der Ersatzelemente der Summe der Oxidationszahl der zu ersetzenden konstituierenden Elemente entspricht. Wenn die Änderung der Valenz nicht als ein Ganzes auftritt, werden in diesem Fall die Defekte nicht geschaffen. Im Allgemeinen führt das Trägern durch das Element zu einer größeren Trägerfestigkeit als das Trägern durch die feine Pore. Daher kann dieses Verfahren die Katalysatorkomponente nur durch chemische Adsorption mit dem Ersatzelement trägern, und der Widerstand gegenüber Abbau wird höher.

Bezüglich der auf der keramischen Oberfläche gebildeten feinen Poren beinhaltet der Defekt des Kristallgitters den Sauerstoffdefekt und den Gitterdefekt (Metallgitterfehlstelle und Gitterverzerrung). Der Sauerstoffdefekt ist der Defekt, der geschaffen wird, wenn Sauerstoff zum Konstituieren des Kristallgitters unzureichend wird. Die feinen Poren, die durch Abfall von Sauerstoff gebildet werden, können die Katalysatorkomponente trägern. Der Gitterdefekt ist der Effekt, der auftritt, wenn Sauerstoff in einer Menge eingefangen wird, die größer ist, als zum Konstituieren des keramischen Kristallgitters notwendig ist. Die Katalysatorkomponente kann in den feinen Poren geträgert werden, die durch Verzerrung des Kristallgitters und durch die Metall-Gitterfehlstelle gebildet werden.

Neben den Defekten in dem keramischen Kristallgitter (Gitterdefekt oder Sauerstoffdefekt), beinhalten die feinen Poren, die die Katalysatorkomponente direkt trägern können, feine Risse der keramischen Oberfläche und den Defekt des die Keramik konstituierenden Elementes. Wenigstens eine oder eine Vielzahl von Arten dieser Defekte können in Kombination verwendet werden. Der Durchmesser des geträgerten Ions der Katalysatorkomponente beträgt im Allgemeinen ungefähr 0,1 nm. Wenn daher diese Poren einen Durchmesser oder eine Breite von 0,1 nm oder mehr besitzen, können sie das Ion der Katalysatorkomponente trägern. Um die keramische Festigkeit sicherzustellen, ist der Durchmesser oder die Breite der feinen Poren nicht größer als 1000-mal (100 nm) des Durchmessers des Ions der Katalysatorkomponente und ist vorzugsweise so klein wie möglich. Der Durchmesser oder die Breite der feinen Pore beträgt vorzugsweise 1 bis 1000-mal (0,1 bis 100 nm). Die Tiefe der feinen Poren beträgt vorzugsweise wenigstens 1/2- mal (0,05 nm) von dessen Durchmesser, um das Katalysatorkomponentenion zurückzuhalten. Um die Katalysatorkomponente in einer Menge zu trägern, die zu der herkömmlichen Menge (1,5 g/l) äquivalent ist, beträgt bei dieser Größe die Zahl der feinen Poren wenigstens 1 × 10¹¹/L, vorzugsweise 1 × 10¹⁶/L und weiter bevorzugt wenigstens 1 × 10¹⁷/L.

Konkreter, die Zahl der feinen Poren des keramischen Trägers übersteigt die vorbestimmte Zahl, die vorstehend beschrieben wurde, wenn die Cordierithonigwabenstruktur wenigstens 4 × 10^-6%, vorzugsweise wenigstens 4 × 10^-5% von Cordieritkristallen mit wenigstens einer Art von Sauerstoffdefekt oder Gitterdefekt in einem Einheitskristallgitter enthält, oder 4 × 10^-8 Stücke vorzugsweise wenigstens 4 × 10^-7 Stücke von wenigstens einer Art aus Sauerstoffdefekt oder Gitterdefekt in einem Einheitskristallgitter des Cordierits enthält.

Ein Verfahren zum Bilden der Defekte in dem Kristallgitter wird in der Japanischen Patentanmeldung Nr. 2000-104994 beschrieben. Zum Beispiel kann der Sauerstoffdefekt gebildet werden, indem ein Teil von wenigstens einer Art der konstituierenden Elemente, die sich von Sauerstoff des Cordieritmaterials, das eine Si-Quelle, eine Al-Quelle und eine Mg-Quelle enthält, durch ein Element mit einer kleineren Valenz als das konstituierende Element während eines Formungs-, Entfettungs- und Sinter-Verfahrens ersetzt wird. In dem Fall des Cordierits besitzen die konstituierenden Elemente positive Ladungen, d. h., Si(4+), Al(3+) und Mg(2+). Wenn diese Elemente durch Elemente mit kleinerer Valenz ersetzt werden, wird die positive Ladung, die der Differenz der Valenz von dem Ersatzelement und der ersetzenden Menge entspricht, unzureichend, O (2-) mit der negativen Ladung wird ausgestoßen, um die elektrische Neutralität als das Kristallgitter zu bewahren, und der Sauerstoffdefekt wird gebildet.

Der Gitterdefekt kann gebildet werden, in dem ein Teil der die Keramik konstituierenden Elemente, die sich von Sauerstoff unterscheiden, durch ein Element mit einer größeren Valenz als die konstituierenden Elemente ersetzt wird. Wenn wenigstens einer Teil von Si, Al und Mg als die konstituierende Elemente des Cordierits durch ein Element mit einer größeren Valenz ersetzt wird, wird die positive Ladung in der Menge, die der Differenz der Valenz aus dem ersetzenden Element und der ersetzenden Menge entspricht, exzessiv, und O (2-) mit der negativen Ladung wird in einer Menge eingefangen, die zum Beibehalten der elektrischen Neutralität als das Kristallgitter notwendig ist. So eingefangener Sauerstoff wird ein Hindernis und das Cordieritkristallgitter kann nicht in regulärer Ordnung ausgerichtet werden, wodurch die Gitterverzerrung gebildet wird. Die Sinteratmosphäre ist in diesem Fall eine Atmosphäre, bei der Sauerstoff ausreichend zugeführt wird. Alternativ wird ein Teil von Si, Al und Mg ausgestoßen, um die elektrische Neutralität zu bewahren, und Hohlräume werden gebildet. Da angenommen wird, dass die Größe dieser Defekte einige Angström oder darunter beträgt, können die Effekte nicht als eine spezifische Oberfläche durch ein gewöhnliches Messverfahren für eine spezifische Oberfläche, wie etwa ein BET-Verfahren unter Verwendung der Stickstoffmoleküle, gemessen werden.

Die Zahlen der Sauerstoff- und Gitterdefekte besitzen eine Korrelation mit der Sauerstoffmenge, die in dem Cordierit enthalten ist. Um die notwendige Menge der vorstehend beschriebenen Katalysatorkomponente zu trägern, beträgt die Sauerstoffmenge vorzugsweise weniger als 47 Gewichtsprozent (Sauerstoffdefekt) oder mehr als 48 Gewichtsprozent (Gitterdefekt). Wenn die Sauerstoffmenge weniger als 47 Gewichtsprozent aufgrund der Bildung des Sauerstoffdefekts beträgt, wird die Sauerstoffzahl, die in dem Cordieriteinheitskristallgitter enthalten ist, kleiner als 17,2, und die Gitterkonstante der b₀-Achse der Kristallachse des Cordierits ist kleiner als 16,99. Wenn die Sauerstoffmenge größer als 48 Gewichtsprozent aufgrund der Bildung des Gitterdefekts wird, wird die Sauerstoffzahl, die in dem Cordieriteinheitskristallgitter enthalten ist, größer als 17,6, und die Gitterkonstante der b₀-Achse der Kristallachse des Cordierits wird größer oder kleiner als 16,99.

Hierbei wählt die Erfindung die Kombination der Katalysatorkomponente und des Elements oder die feine Pore, die die Katalysatorkomponente trägert, auf der Basis einer Simulation unter Verwendung eines funktionalen Dichteverfahrens aus. Die Trägerfestigkeit der Katalysatorkomponente und des Elements oder der feinen Pore wird durch Simulation unter Verwendung des funktionalen Dichteverfahrens berechnet, und die Kombination der Katalysatorkomponente mit dem Inter-Trägerelemente (konstituierendes Element oder Ersatzelement) oder der feinen Pore (Defekt) wird aus der Kombination, die einen Wert bereitstellt, der größer als 5 eV ist, ausgewählt. Auf diese Weise kann die Vergröberung der Katalysatorkomponente während der Verwendung bei einer hohen Temperatur unterdrückt werden. Wenn der Simulationswert unter Verwendung des funktionalen Dichteverfahrens größer als 5 eV ist, wird die Katalysatorkomponente mit starker Kraft (chemische Adsorption) an das Element oder die feine Pore selektiv adsorbiert. Als Konsequenz wird angenommen, dass Wanderung und Vergröberung aufgrund der Wärme schwierig erzeugt werden. Wenn der Simulationswert kleiner als 5 eV ist, ändert sich die Adsorption in physikalischer Adsorption, die keine Positionsselektivität der Adsorptionsstelle aufweist, und die Trägerfestigkeit fällt ab. Der Simulationswert beträgt vorzugsweise wenigstens 15 eV. Die Trägerfestigkeit wird stärker, der Effekt des Unterdrückens der Vergröberung wird höher und die Verschlechterung kann verhindert werden.

Das funktionale Dichteverfahren ist das Verfahren, das den Elektronenzustand des Kristalls einschätzt, indem ein Hamiltonian eingeführt wird, der den co-funktionalen Effekt unter multiplen Elektronen verwendet. Das Prinzip basiert auf einer mathematischen Theorie, nach der alle Energie des Grundzustands eines Systems durch eine Funktion einer Elektronendichte ausgedrückt werden kann. Dieses Verfahren besitzt eine hohe Zuverlässigkeit als Mittel zum Berechnen des Elektronenzustands des Kristalls. Der herkömmliche Katalysatorkörper besitzt den Aufbau, in welchem die Katalysatorkomponente auf der Oberfläche der Beschichtungsschicht mit einer großen spezifischen Oberfläche, wie etwa Aluminiumoxid, durch physikalische Adsorption geträgert wird. Daher ist die Trägerfestigkeit mit Al, das die Beschichtungsschicht zusammensetzt, extrem schwach und die Katalysatorkomponente bewegt sich leicht.

Wenn der Aufbau derart ist, dass die Katalysatorkomponente durch das Element innerhalb des Trägers geträgert wird, auf die gleiche Weise wie bei dem erfindungsgemäßen Katalysatorkörper, ist die Vergröberung unvermeidbar, wenn die Trägerfestigkeit nicht ausreichend ist. Jedoch ist es extrem schwierig, die Trägerfestigkeit zwischen der Katalysatorkomponente und dem Element oder der feinen Pore zu messen, und Mittel werden notwendig, um die Kombination, die eine gewünschte Trägerfestigkeit gewährleistet, einzuschätzen. Das funktionale Dichteverfahren ist zum Einschätzen des Elektronenzustands an der Grenzfläche zwischen der Trägeroberfläche aus Oxid, etc. und der Katalysatorkomponente geeignet. Als Tatsache ist bestätigt worden, dass die Vergröberung der Katalysatorteilchen in dem Katalysatorkörper nicht auftritt, die die Kombination der Katalysatorkomponente und dem Element aufweisen, die auf der Basis des Simulationswertes ausgewählt wurde, und der Katalysatorkörper zeigt eine hohe Reinigungsleistung, sogar nach Hochtemperaturhaltbarkeitstest.

Ein Herstellungsverfahren für den Katalysatorkörper gemäß der Erfindung wird als Nächstes beschrieben werden. Wenn der keramische Träger, in welchem ein Teil der konstituierenden Elemente des keramischen Substrats durch ein Element ersetzt wird, das eine hohe Trägerfestigkeit mit der Katalysatorkomponente aufweist, verwendet wird, wird ein keramisches Ausgangsmaterial verwendet, in welchem ein Teil des Ausgangsmaterials des konstituierenden Elements, das ersetzt wird, im Vorhinein in Übereinstimmung mit der ersetzenden Menge verringert wird. Eine vorbestimmte Menge des Ausgangsmaterials des Ersatzelementes wird zu diesem keramischen Ausgangsmaterial zugegeben. Nach dem Kneten auf eine herkömmliche Weise, wird die Mischung in einer Honigwabenstruktur geformt, getrocknet und gesintert, um einen keramischen Träger zu ergeben, in welchem das Element ersetzt wird. Wenn das Ersatzelement eine Valenz besitzt, die sich von derjenigen des konstituierenden Elements der Keramik zu dieser Zeit unterscheidet, wird gleichzeitig der Gitterdefekt oder der Sauerstoffdefekt in Übereinstimmung mit der Differenz der Valenz gebildet. Alternativ wird ein keramisches Ausgangsmaterial hergestellt, in welchem ein Teil des Ausgangsmaterials des konstituierenden Elements, das ersetzt wird, im Vorhinein in Übereinstimmung mit der Ersatzelemente verringert wird. Das keramische Ausgangsmaterial wird dann geknetet, geformt und getrocknet, und die so erhaltene Form wird in eine Lösung, die das Ersatzelement enthält, eingetaucht. Das letztere Verfahren kann verursachen, dass eine größere Menge des Ersatzelements auf der Oberfläche der Form existiert.

Folglich tritt eine Elementsubstitution auf der Oberfläche während dem Sintern auf und es ist wahrscheinlicher, dass ein feste Lösung auftritt. Da nur die Oberfläche der Elementsubstitution unterzogen wird, sind die Einflüsse auf die Eigenschaften des keramischen Substrats gering.

Wenn das Substrat konstituierende Element des keramischen Trägers die Katalysatorkomponente direkt trägern kann, wird das keramische Ausgangsmaterial auf gewöhnliche Weise geknetet, geformt, getrocknet und gesintert, um einen keramischen Träger zu ergeben. Im Fall der Honigwabenstruktur, beträgt die Dicke der Zellwände im Allgemeinen 150 µm oder darunter. Je kleiner die Wanddicke, desto geringer wird die Wärmekapazität.

Als Nächstes wird die Katalysatorkomponente, wie etwa Pt, Rh, Pd, etc. direkt auf dem resultierenden keramischen Träger geträgert, um den keramischen Katalysatorkörper der Erfindung zu ergeben. Die Katalysatorkomponente kann in Übereinstimmung mit dem gewöhnlichen Verfahren geträgert werden, dass den keramischen Körper in eine Lösung eintaucht, die die Katalysatorkomponente enthält, und dann Sintern durchführt. Wenn eine Mehrzahl von Katalysatorkomponenten geträgert wird, werden Verfahrensschritte des Eintauchens des keramischen Körpers in eine Lösung, die jede Katalysatorkomponente enthält, und Sintern wiederholt. Alternativ wird der keramische Körper in eine Lösung eingetaucht, die eine Mehrzahl von Katalysatorkomponenten enthält, gesintert und wird gleichzeitig geträgert. Das Katalysatorteilchen weist einen mittleren Teilchendurchmesser von 100 µm oder darunter, vorzugsweise 50 µm oder darunter auf. Die Katalysatorteilchen können näher auf der Trägeroberfläche dispergiert werden, wenn deren Teilchengröße kleiner ist, und die Reinigungsleistung pro Katalysatorgewicht kann verbessert werden.

In dem so erhaltenen keramischen Katalysatorkörper wird die Katalysatorkomponente direkt an das Element innerhalb des Trägers mit der vorbestimmten Trägerfestigkeit adsorbiert, ohne die Beschichtungsschicht zu verwenden. Daher ist die Adsorption stark und fest, und die Katalysatorkomponente bewegt sich nicht leicht. Sogar wenn bei einer Hochtemperatur für eine lange Zeit verwendet, kann daher der keramische Katalysatorkörper verhindern, dass die Katalysatorteilchen sich aggregieren und vergröbern, und behält eine hohe Leistung bei, ohne eine thermische Verschlechterung herbeizuführen.

Beispiel 1

Talk, Kaolin, Aluminiumoxid und Aluminiumhydroxid wurden als Cordieritmaterialien verwendet, und 20% des Al- Materials als das Cordierit konstituierende Material wurde verringert. Als Nächstes wurden WO₃, das 10% des Al als das konstituierende Element entsprach, und TiO₂, das auf ähnliche Weise 10% Al-Element entsprach, auf eine derartige Weise zugegeben, dass die resultierende Zusammensetzung sich einem theoretischen Zusammensetzungspunkt von Cordierit annäherte. Danach wurden geeignete Mengen eines Bindemittels, eines Schmiermittels, eines Befeuchtigungsmittels und Feuchtigkeit zu den Ausgangsmaterialien zugegeben, die Mischung wurde geknetet und zu Ton umgewandelt. Der resultierende Ton wurde in einer Honigwabengestalt mit einer Zellwanddicke von 100 µm, einer Zelldichte von 400 cpsi und einem Durchmessers von 50 mm geformt. Nach dem Trocknen wurde die Honigwabenstruktur bei 1390°C für 2 Stunden in einer Atmosphäre gesintert, um einen keramischen Träger zu erhalten, in welchem W und Ti als die Ersatzelemente eingeführt wurden. Hierbei wurden zwei Arten von Elementen (W und Ti) als die Ersatzelemente verwendet und der Gittereffekt trat in Cordierit auf.
Um zunächst Pt als die Katalysatorkomponente auf dem so erhaltenen keramischen Träger zu trägern, wurde eine Ethanollösung, die 0,035 mol/l Platinchlorid enthielt, hergestellt. Der keramische Träger wurde in diese Lösung für 5 Minuten eingetaucht. Nachdem eine überschüssige Lösung entfernt wurde, wurde der keramische Träger getrocknet und wurde dann bei 600°C in der Atmosphäre gesintert, um Pt zu trägern. Auf diese Weise wurde ein keramischer Katalysatorkörper, in welchem Pt als das Katalysatorelement durch W und Ti als die Ersatzelemente (Inter-Trägerelemente) geträgert wurde, erhalten.
Um die Reinigungsleistung des resultierenden keramischen Katalysatorkörpers zu bewerten, wurde ein Modellgas, das C₃H₆ enthielt, eingeführt und eine 50%ige Reinigungstemperatur (anfänglich T50, Einheit: °C) von C₃H₆wurde gemessen. Die Bewertungsbedingung wurde nachstehend aufgelistet. Der thermische Haltbarkeitstest wurde durchgeführt, indem der keramische Katalysatorkörper bei 1000°C für 24 Stunden in der Atmosphäre stehen gelassen wurde und die 50%ige Reinigungstemperatur (T50 nach stehen lassen, Einheit: °C) wurde gemessen. Modelgas C₃H₆: 500 ppm
O₂: 2,5%
N₂: Ausgleich
SV = 10000
Die chemische CO-Adsorptionsmenge wurde für einen resultierenden keramischen Katalysatorkörper gemessen. Der Katalysatorteilchendurchmesser (Mittel) wurde vor und nach dem Haltbarkeitstest gemessen, und das Ergebnis wurde auch in Tabelle 1 beschrieben. Es wurde durch WDX-Analyse durch TEM (Transmissionselektronmikroskopie) bestätigt, dass W und Ti als die Ersatzelemente (Inter-Trägerelemente) Pt als das Katalysatorelement direkt trägerten. Im Übrigen tabuliert Tabelle 1 zudem den Simulationswert, der die Pt Trägerfestigkeit von W und Ti einschätzt, die einen Teil des Al als das konstituierende Element des Cordierits ersetzen, indem die Simulation durch das funktionale Dichteverfahren durchgeführt wird. Die Berechnungsbedingungen für die analytische Hardware/Software, wenn die Simulation durch das funktionale Dichteverfahren durchgeführt wird, werden nachstehend aufgelistet.
Pre/Post: Cerius2 ver4.2 (Accelrys Co.)
Solva: CASTEP, Kristallbilder (Accelrys Co.)
W/S: (SGI Co.) Octan2
CPU Zeit: approx. 70000 s
Temperatur: absolut 0
Approximation: CGA Approximation
Fig. 1 ist eine exemplarische Modellansicht, die zur Simulation der Trägerintensität durch das funktionale Dichteverfahren verwendet wird. Der Cordieritkristall wird durch Verwendung einer kommerziellen Simulationssoftware (Kristallbilder) von Accelrys Co., USA hergestellt, und eine Stabilisierungsstruktur des Kristalls bei absolut 0 (OK) wird durch Verwendung von Software (CASTEP) der gleichen Firma ermittelt. Die CGA-Approximation wird zur Berechnung verwendet. Danach wird der Kristall mit einer (100) Ebene als die am meisten vorkommende Oberfläche durch Verwendung der Software (Oberflächenbilder und Kristallbilder) der Firma geschnitten, und ein Modell mit einem Vakuumteil als dessen oberen Teil wird hergestellt. Die Katalysatorkomponente (hier Pt) wird bei diesem Vakuumteil gestellt, und die Energieänderung, wenn Pt nahezu dem Übergangsmetallelement (zum Beispiel W) auf der Cordieritgrenzfläche gebracht wird, wird berechnet, um die Trägerfestigkeit einzuschätzen. Das Berechnungsverfahren für die Trägerfestigkeit ermittelt den Unterschied zwischen der Energie, wenn die Cordieritgrenzfläche und Pt überhaupt nicht Wechselwirken und der Energie, wenn Pt an die Cordieritgrenzfläche adsorbiert wird. Um so größer diese Energiedifferenz, desto stabiler kann die Katalysatorkomponente durch Adsorption gehalten werden, d. h. die Trägerfestigkeit ist größer.

Beispiele 2 bis 9

Ein keramischer Katalysatorkörper wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, bis darauf, dass die Elemente, die Al als ein Cordierit konstituierendes Element ersetzen sollten, W und Co waren und deren Oxide WO₃ und CoO zu den Cordierit-Ausgangsmaterialien zugegeben worden. Auf ähnliche Weise wurden die keramischen Katalysatorkörper hergestellt, indem das Ersatzelement als W, Ti oder Zr eingestellt wurde und die jeweiligen Oxide WO₃, TiO₂ oder ZrO₂ zu den Cordierit-Ausgangsmaterialien gegeben wurden.

Beispiele 3 bis 5

Da das Ersatzelement eine Art (W) in Beispiel 3 ist, trat der Gitterdefekt gleichzeitig auf, und das Ersatzelement (W) und der Gitterdefekt trägerten das Katalysatorelement (Pt). Beispiele 4 und 5 wählten das Ersatzelement aus, das keinen (oder kaum) Gitterdefekt erzeugte.
In Beispielen 6 bis 9 wurden die keramischen Katalysatorkörper hergestellt, in welchen das Trägersubstrat in Aluminiumoxid, Wolframoxid oder Titanoxid geändert wurde, wie in Tabelle 1 aufgelistet, und das Inter-Trägerelement zum Trägern des Katalysatorelements (Pt) war W oder Ti. Hierbei wurde W in Beispielen 6 und 9 als das Ersatzelement auf die gleiche Weise wie in jedem der zuvor beschriebenen Beispiele eingeführt. Elementsubstitution wurden in Beispielen 7 und 8 nicht beeinflusst, und W und Ti als die trägerkonstituierenden Elemente trägerten direkt das Katalysatorelement.
Die Reinigungsleistung und der Katalysatorteilchendurchmesser wurden für die keramischen Katalysatorkörper von diesen Beispielen 2 bis 9 auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 gemessen. Tabelle 1 tabuliert die Ergebnisse mit dem Simulationswert der Pt Trägerfestigkeit des Inter-Trägerelements oder des Gitterdefektes durch das funktionale Dichteverfahren.

Vergleichsbeispiele 1 bis 4

Andererseits wurde zum Vergleich ein keramischer Katalysatorkörper, der Pt als das Katalysatorelement trägerte, auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 durch Verwendung eines keramischen Trägers hergestellt, der Aluminiumoxid als das Trägerbasismaterial verwendete und in welchem das Ersatzelement nicht eingeführt wurde (Vergleichsbeispiel 1). Die Reinigungsleistung und der Katalysatorteilchendurchmesser wurden auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 gemessen. Tabelle 1 tabuliert die Ergebnisse mit dem Simulationswert der Trägerfestigkeit von Al und Pt als die substratkonstituierenden Komponenten (die Inter-Trägerelemente) durch das funktionale Dichteverfahren. Die keramischen Katalysatorkörper, die Pt als das Katalysatorelement trägerten, wurden auf die gleiche Weise für die keramischen Träger unter Verwendung von jeweils Magnesiumoxid, Siliciumoxid und Cordierit als das Trägersubstrat hergestellt (Vergleichsbeispiele 2 bis 4). Die Reinigungsleistung und der Katalysatorteilchendurchmesser wurden für die keramischen Katalysatorkörper auf die gleiche Weise gemessen, und Tabelle 1 tabuliert die Ergebnisse mit dem Simulationswert der Pt Trägerfestigkeit von Mg oder Si als die substratkonstituierenden Komponenten (Inter-Trägerelement) durch das funktionale Dichteverfahren.
Es kann deutlich aus Tabelle 1 entnommen werden, dass Vergröberung der Teilchen aufgrund des thermischen Haltbarkeitstestes in Vergleichsbeispielen 1 bis 4 bemerkenswert war, in welchen der Simulationswert durch das funktionale Dichteverfahren 5 eV oder weniger betrug. Dies beruht vermutlich darauf, dass das Katalysatorelement lediglich durch physikalische Adsorption in den Kombinationen mit dem Simulationswert von 5 eV oder darunter geträgert wurde. Da keine Positionsselektivität der Adsorptionsstelle existiert, konnten die Katalysatorteilchen an einem beliebigen Teil adsorbiert werden, aber die Adsorptionsfestigkeit war so schwach, dass die Katalysatorteilchen sich leicht bewegen konnten und aufgrund der thermischen Oszillation oder dergleichen aggregieren konnten. Im Gegensatz dazu wurde festgestellt, dass in Beispielen 1 bis 9, in welchen der Simulationswert größer als 5 eV war, die Änderung des Teilchendurchmessers nach dem thermischen Haltbarkeitstest gering war und der Träger stark und fest war. Daher lag, wenn der Simulationswert größer als 5 eV war, die Adsorption in dem Bereich der chemischen Adsorption, Positionsselektivität der Adsorptionsstelle existierte, und da das Katalysatorelement selektiv mit hoher Festigkeit an das ersetzende Element absorbiert wurde, trat keine Bewegung und Vergröberung aufgrund der Wärme leicht auf.
Bezüglich der Reinigungsleistung gab es keine größere Differenz in der anfänglichen 50% Reinigungstemperatur (T50) zwischen Beispiel und Vergleichsbeispiel. Jedoch waren in der 50% Reinigungstemperatur (T50), nachdem jede Probe stehen gelassen wurde, Beispiele innerhalb des Bereichs von 195 bis 220°C, wohingegen die Leistung in Vergleichsbeispielen auf 235 bis 400°C abfiel. Demgemäß konnte eine deutliche Korrelation zwischen dem Simulationswert durch das funktionale Dichteverfahren, dem Katalysatorteilchendurchmesser und der Reinigungsleistung beobachtet werden. Es wurde bestätigt, dass wenn die Kombination mit einem Simulationswert von wenigstens 5 eV ausgewählt wurden, die Trägerfestigkeit verbessert werden konnte und das Kornwachstum der Katalysatorkomponente aufgrund der thermischen Haltbarkeit unterdrückt werden konnte. Der Effekt des Unterdrückens der Vergröberung und der Verbesserungseffekt der Reinigungsleistung wurden größer, wenn der Simulationswert größer wurde. Konkreter gesprochen betrug der Simulationswert vorzugsweise 15 eV oder mehr. Wie vorstehend beschrieben, wurden der Vergröberungsunterdrückungseffekt abhängig von der Trägerfestigkeit verschieden, gleichförmiges Trägern basierte auf chemische Adsorption, aber Hochtemperaturdauerhaftigkeit konnte effektiv verbessert werden, wenn die Kombination mit höherer Trägerfestigkeit auf der Basis des Simulationswerts gemäß der Erfindung gefunden wurde.
Fig. 2 zeigt die Trägerfestigkeit (Simulationswert durch das funktionale Dichteverfahren) des Katalysatorelements (Pt), wenn das Trägersubstrat Cordierit ist und der Übergangsmetallkeim als das Ersatzelement, das eingeführt wird, variiert wird, im Vergleich mit der Trägerfestigkeit von γ-Aluminiumoxid, das die herkömmliche Beschichtungsschicht und Pt aufbaut. Es kann aus der Zeichnung ersehen werden, dass in beliebigen der Cordieritersatzelemente, Pt mit einer höheren Trägerfestigkeit als γ-Aluminiumoxid adsorbiert wird. Insbesondere, wenn Ti, W, Mn, Ca, Mo und Zr ausgewählt werden, ist der Effekt bemerkenswert. Die Intensität der Trägerfestigkeit variiert mit der Differenz der Elementart, und diese Differenz kann vermutlich von dem leeren Orbitalzustand des d Orbitals des Ersatzelements und von dem Oxidationszustand abhängen.
Fig. 2 zeigt den Fall, bei dem die Art des Ersatzelements eines ist (+ Gitterdefekt), aber die Art des Ersatzelements kann zwei oder mehrere sein. (Beispiel 1 stellt Ersatz durch zwei Arten und Beispiel 2 bis 4 stellen Ersatz durch eine Art dar). Fig. 3 zeigt das Elektronendichtezustandsdiagramm des W-Elements, das die höchste Trägerfestigkeit als das einzelne Ersatzelement unter den Fig. 2 gezeigten während dessen Adsorption zeigt. Es kann bestätigt werden, dass das äußere Schalenorbital von Pt und das äußere Schalenorbital von W als das Ersatzelement innerhalb von Cordierit miteinander überlappen und Pt chemisch an das W-Element adsorbiert wird.
Wie vorstehend beschrieben, verwendet die vorliegende Erfindung das funktionale Dichteverfahren, das die Trägerfestigkeit der Katalysatorkomponente in dem tatsächlichen Katalysatorkörper mit einem hohen Niveau an Genauigkeit einschätzen kann, wählt die optimale Kombination auf der Basis des Simulationswertes aus und kann einen Hochleistungskatalysatorkörper mit der gewünschten Trägerfestigkeit gewährleisten.
Die Erfindung zielt darauf ab, einen Katalysatorkörper bereitzustellen, der eine geringere Verschlechterung eines Katalysators aufgrund thermischer Haltbarkeit zeigt und eine höhere Katalysatorleistung für eine lange Zeit beibehalten kann. Eine Katalysatorkomponente, wie etwa Pt, wird direkt durch Zr, W, etc., die Elemente innerhalb eines Trägers, wie etwa Al von Cordierit ersetzen, geträgert, um einen Katalysatorkörper bereitzustellen, ohne eine Beschichtungsschicht zu bilden. Eine Kombination der Katalysatorkomponente und des Elements innerhalb des Trägers wird ausgewählt, so dass die Trägerfestigkeit größer als 5 eV durch Simulation unter Verwendung eines funktionalen Dichteverfahrens ist. Die Vergröberung der Katalysatorteilchen kann unterdrückt werden und ein Hochleistungskatalysatorkörper, der eine herausragende thermische Haltbarkeit besitzt, kann erhalten werden.

Claims

1. Katalysatorkörper, der eine Katalysatorkomponente auf eine Oberfläche eines Trägers direkt trägert, wobei die Katalysatorkomponente direkt durch wenigstens eines aus Elementen und feinen Poren innerhalb des Trägers geträgert wird, und die Trägerfestigkeit der Katalysatorkomponente durch die Elemente oder die feinen Poren innerhalb des Trägers größer als 5 eV durch Simulation unter Verwendung eines funktionalen Dichteverfahrens ist.

2. Katalysatorkörper gemäß Anspruch 1, wobei der Träger ein keramischer Träger ist.

3. Katalysatorkörper gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Trägerfestigkeit der Katalysatorkomponente durch die Elemente oder die feinen Poren innerhalb des Trägers wenigstens 15 eV durch Simulation unter Verwendung eines funktionalen Dichteverfahrens beträgt.

4. Katalysatorkörper gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eines oder mehrere Arten von Elementen der substratkonstituierenden Elemente des Trägers durch Elemente ersetzt werden, die sich von den konstituierenden Elementen unterscheiden, und die Katalysatorkomponente durch das Ersatzelement direkt geträgert wird.

5. Katalysatorkörper gemäß Anspruch 4, wobei das Ersatzelement eines oder mehrere Arten von Elementen mit einem d oder f Orbital in deren Elektronenorbital ist.

6. Katalysatorkörper gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Katalysatorkomponente durch das Element, das das Substrat des Trägers zusammensetzt, geträgert wird.

7. Katalysatorkörper gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die feinen Poren wenigstens eine Art von Elementen umfassen, die aus dem Defekt in einem Kristallgitter, das das Substrat zusammensetzt, feinen Riss auf einer Oberfläche des Substrats und Defekt von Elementen, die das Substrat zusammensetzen, ausgewählt ist.

8. Katalysatorkörper gemäß Anspruch 7, wobei die feinen Poren Defekte sind, die gebildet werden, in dem wenigstens eine Art von konstituierenden Elementen des Substrats durch ein Element ersetzt werden, dass sich von dem konstituierenden Element unterscheidet, und die Katalysatorkomponente direkt durch die Defekte geträgert ist.

9. Katalysatorkörper gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Substrat des Trägers Cordierit, Zeolith, Perovskit, Titandioxid, Siliciumdioxid, Cerdioxid, Zirkonoxid, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Spinel, Mullit, Aluminiumtitanat, Zirkonphosphat, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Siliciumoxid-Aluminiumoxid oder deren Derivate als dessen Hauptkomponente enthält.

10. Katalysatorkörper gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Katalysatorkomponente wenigstens eine Art von Elementen, oder eine Mischung oder eine feste Lösung von zwei oder mehreren Elementen ist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Pt, Pd, Rh, Ag, Au, Ce und deren Oxiden besteht.

11. Katalysatorkörper gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Katalysatorkomponente wenigstens eine Art von Elementen, oder eine Mischung oder eine feste Lösung von zwei oder mehreren Elementen ist, die aus Übergangsmetallelementen und deren Oxiden ausgewählt ist.