DE19614540A1 - Dieselkatalysator - Google Patents

Dieselkatalysator

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DE19614540A1
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Dieter Dr Lindner
Egbert Dr Lox
Thomas P Dr Kreuzer
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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Katalysator zur Reinigung der Abgase von Dieselmotoren, welcher ein oder mehrere Zeolithe sowie mindestens ein Platingruppenmetall enthält.
Das Abgas von Dieselmotoren weist Kohlenmonoxid, unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Stickoxide und Rußpartikel als Luftschadstoffe auf. Die unverbrannten Kohlenwasser­ stoffe umfassen Paraffine, Olefine, Aldehyde und Aromaten. Im Vergleich zu den Abgasen von Benzinmotoren weisen Dieselabgase einen wesentlich höheren Anteil an schwer oxidierbaren, langkettigen Paraffinen auf. Darüber hinaus sind Dieselabgase wesentlich kälter als Abgase von Benzin­ motoren und enthalten Sauerstoff in einer Konzentration zwischen 3 und 10 Vol.-%.
Die hohe Sauerstoffkonzentration beruht auf der Tatsache, daß Dieselmotoren mit einem großen Luft/Kraftstoff­ verhältnis (Kilogramm Luft/Kilogramm Kraftstoff) von über 18 betrieben werden. Benzinmotoren arbeiten dagegen bei einem Luft/Kraftstoffverhältnis von 14,6, welches eine stöchiometrische Verbrennung der Kohlenwasserstoffe ermöglicht. Das Abgas von Benzinmotoren ist daher im wesentlichen sauerstofffrei.
Im Teillastbetrieb liegt die Abgastemperatur eines Diesel­ motors im Bereich zwischen 150 und 250°C und erreicht nur ein Vollastbetrieb eine Maximaltemperatur zwischen 550 und 650°C. Dagegen liegt die Abgastemperatur eines Benzinmotors im Teillastbetrieb zwischen 400 und 450°C und kann bei Vollast bis auf 1000°C ansteigen.
Die Rußpartikel des Dieselabgases bestehen aus Kohlenstoff­ keimen und darauf adsorbierten flüchtigen organischen Komponenten (VOC = volatile organic compounds) sowie adsorbierten Sulfaten, die sich bei der Verbrennung im Dieselmotor aufgrund des Schwefelgehaltes des Dieselkraft­ stoffes bilden.
Wegen der besonderen Eigenschaften des Dieselabgases wurden für seine Reinigung maßgeschneiderte Abgasreinigungssysteme entwickelt.
Die DE 39 40 758 A1 beschreibt einen Katalysator zur oxidativen Reinigung der Abgase von Dieselmotoren mit hohen Umsetzungsraten für Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid bei niedrigen Temperaturen und gehemmter Oxidationswirkung gegenüber Stickoxiden und Schwefeldioxid. Die Aktiv­ komponente des Katalysators besteht aus mit Vanadium oder mit einer oxidischen Vanadiumverbindung in Berührung stehendem Platin, Palladium, Rhodium und/oder Iridium. Die Aktivkomponente ist auf feinteiligem Aluminiumoxid, Titan­ oxid, Siliziumoxid, Zeolith sowie deren Abmischungen abgeschieden. Der Katalysator ist in Form einer Beschichtung auf den frei durchströmbaren Kanälen eines wabenförmigen Tragkörpers aus Keramik oder Metall aufgebracht. Die Anspringtemperaturen T₅₀% dieses Katalysators für Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe liegen im Bereich zwischen 210 und 275°C (Bei den Anspring­ temperaturen T₅₀% handelt es sich um die Temperaturen des Abgases, bei denen ein Katalysator gerade 50% der Schad­ stoffe zu unschädlichen Komponenten umsetzt) . Bei 350°C zeigt der Katalysator gute Umsetzungsraten für Kohlen­ monoxid und Kohlenwasserstoffe. Der Katalysator läßt Stick­ oxide nahezu unbeeinflußt passieren. Schwefeldioxid wird nur im geringen Maße zu Schwefeltrioxid oxidiert. Wegen der verminderten Oxidationswirkung gegenüber Schwefeldioxid führt dieser Katalysator auch zu einer geringeren Partikel­ emission als bei anderen Oxidationskatalysatoren, da weniger Sulfate im Abgas zur Verfügung stehen, die auf den Rußkeimen adsorbiert werden können.
Die Problematik der Partikelemission wird im Zuge der geplanten Einführung von schwefelarmen Dieselkraftstoffen gemildert, so daß der Katalysator der DE 39 40 758 A1 an Bedeutung verlieren wird.
Die EP 0 417 970 A2 beschreibt einen Katalysator zur Verminderung der Stickoxide in einem oxidierenden Abgas mit einem Luft/Kraftstoffverhältnis von 22. Der Katalysator enthält wenigstens einen Zeolithen mit einem Molverhältnis SiO₂/Al₂O₃ von größer als 10 und Porendurchmessern von 0,5 bis 1 nm. Auf den Zeolithen sind Platingruppenmetalle abgeschieden, wobei für jedes Platingruppenmetall ein minimales Gewichtsverhältnis des Metalls zum Zeolithen nicht unterschritten werden darf, wenn auch noch nach Alterung des Katalysators gute Umsetzungsraten für Stick­ oxide erhalten werden sollen.
Die DE 44 35 073 A1 beschreibt einen Katalysator, der als Adsorptionsmittel für die Kohlenwasserstoffe in den Abgasen eines Benzinmotors eine Mischung von wenigstens zwei Zeolithen mit unterschiedlichen Porendurchmessern enthält und Ceroxid mit aufgebrachtem Palladium. Die Mischung der Zeolithe dient zur Adsorption der unterschiedlich großen Kohlenwasserstoffmoleküle des Abgases während der Kaltstartphase. Palladium und Ceroxid werden verwendet, um die adsorbierten Kohlenwasserstoffe in unschädliche Komponenten zu überführen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Katalysator für die Reinigung der Abgase von Dieselmotoren anzugeben, der in der Lage ist, insbesondere die langkettigen, schwer oxidierbaren Paraffine im Abgas bei Temperaturen unter 200°C zu oxidieren und gleichzeitig die Stickoxide trotz des hohen Sauerstoffgehaltes des Dieselabgases zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird durch einen Katalysator zur Reinigung der Abgase von Dieselmotoren gelöst, welcher ein oder mehrere Zeolithe sowie mindestens ein Platingruppenmetall enthält. Der Katalysator ist dadurch gekennzeichnet, daß er zusätzlich ein oder mehrere Metalloxide aus der Gruppe Aluminiumsilikat, Aluminiumoxid und Titanoxid enthält, wobei das Aluminiumsilikat ein Gewichtsverhältnis Siliziumdioxid/Aluminiumoxid von 0,005 bis 1 aufweist und die Platingruppenmetalle nur auf diesen zusätzlichen Metalloxiden abgeschieden sind.
Erfindungsgemäß enthält der Katalysator neben den Zeolithen weitere Metalloxide, die als Träger für die Platingruppen­ metalle dienen. Wesentlich ist, daß die Platingruppen­ metalle nur auf diesen zusätzlichen Metalloxiden abgeschieden werden und nicht auf den Zeolithen. Die Abscheidung der Platingruppenmetalle auf den Zeolithen führt zu weniger aktiven Katalysatoren (siehe Vergleichs­ beispiel V1).
Die Platingruppenmetalle werden daher vor dem Vermischen der Zeolithe mit den zusätzlichen Metalloxiden durch Imprägnieren mit einer Lösung von löslichen Vorstufen der Platingruppenmetalle auf den zusätzlichen Metalloxiden abgeschieden. Bevorzugt werden hierfür wäßrige Lösungen verwendet.
Als Vorstufen für die Platingruppenmetalle sind alle gebräuchlichen Salze und Komplexsalze derselben geeignet. Beispiele für solche Verbindungen sind Hexachloroplatin­ säure, Tetrachloroplatinsäure, Diammindinitroplatin(II), Tetraamminplatin(II)-chlorid, Ammoniumtetrachloro­ platinat(II), Ammoniumhexachloroplatinat(IV), Platin­ ethylendiamindichlorid, Tetraamminplatin(II)-Nitrat, Tetra­ amminplatin(II) -Hydroxid, Methylethanolamin-Platin(II)­ hydroxid, Platinnitrat, Palladiumchlorid, Palladiumnitrat, Diammindinitropalladium(II), Tetraamminpalladium(II)- Hydroxid und Hexachloroiridiumsäure.
Zur Imprägnierung (im folgenden auch als Aktivierung bezeichnet) der zusätzlichen Metalloxide werden diese mit einer wäßrigen Lösung des oder der Platingruppenmetalle unter ständigem Rühren in Kontakt gebracht, so daß ein feuchtes Pulver entsteht. Nach einer Trocknung von etwa 1 bis 3 Stunden bei erhöhter Temperatur von 80 bis 140°C wird das entstandene Pulver für 1 bis 4 Stunden bei 200 bis 500, bevorzugt 300°C, in Luft calciniert und anschließend in einem wasserstoffhaltigen Gasstrom, bevorzugt Formiergas aus 95 Vol.-% Stickstoff und 5 Vol.-% Wasserstoff, reduziert. Dabei werden Temperaturen im Bereich zwischen 300 und 600, insbesondere 500°C, angewendet. Die Reduktion ist nach etwa 1 bis 3 Stunden abgeschlossen.
Mit dieser Vorgehensweise können die zusätzlichen Metalloxide mit einem Gehalt von 0,01 bis 5 Gew.-% Platingruppenmetall bezogen auf das Gesamtgewicht der imprägnierten Metalloxide belegt werden. Zwecks Unterdrückung der Oxidation von Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid können die zusätzlichen Metalloxide gleichzeitig mit den Platingruppenmetallen oder in beliebiger Reihenfolge mit diesen mit Vanadium belegt werden. Darüber hinaus können weitere Unedelmetalle wie Nickel und Kupfer zur Beeinflussung der katalytischen Aktivität der Platingruppenmetalle auf den zusätzlichen Metalloxiden abgeschieden werden. Hierzu werden lösliche Vorläuferverbindungen dieser Metalle verwendet.
Die zusätzlichen Metalloxide dienen als Trägermaterial für die katalytisch aktiven Platingruppenmetalle. Besonders geeignet sind daher solche Metalloxide, die eine hohe spezifische Oberfläche von mehr als 10 m²/g aufweisen. Im Falle von Aluminiumoxid handelt es sich um sogenannte aktive Aluminiumoxide. Sie weisen die Kristallstrukturen der Übergangsreihe der kristallographischen Phasen des Aluminiumoxids auf, welche durchlaufen werden, wenn Aluminiumoxid-Hydroxide, wie zum Beispiel Gibbsit oder Boehmit, bis auf über 1000°C calciniert werden. Im einzelnen handelt es sich um Chi-, Eta-, Gamma-, Kappa-, Delta- und Theta-Aluminiumoxid. Ihre spezifischen Ober­ flächen können mehrere hundert Quadratmeter pro Gramm betragen. Diese Materialien können zur Stabilisierung ihrer spezifischen Oberfläche gegenüber hohen Temperaturen mit zum Beispiel Seltenerdoxiden dotiert sein.
Als Titanoxid eignen sich Materialien, die auf naßchemischem Wege (Sulfat- oder Chloridprozeß) oder durch Flammenhydrolyse von Titantetrachlorid hergestellt wurden. Die naßchemisch hergestellten Titanoxide weisen überwiegend die Kristallstruktur des Anatas auf und haben spezifische Oberflächen von gewöhnlich mehr als 50 m²/g. Flammenhydrolytisch hergestellte Titanoxide weisen eine Mischstruktur aus etwa 70% Anatas und 30% Rutil auf. Die spezifische Oberfläche dieser sogenannten pyrogenen Titan­ oxide beträgt etwa 50 m²/g.
Von den zusätzlichen Metalloxiden wird bevorzugt das Aluminiumsilikat als Trägermaterial für die Platingruppen­ metalle verwendet. Es handelt sich hierbei um ein spezielles Aluminiumsilikat, welches ein Gewichtsverhältnis Siliziumdioxid/Aluminiumoxid zwischen 0,005 und 1 und eine sehr homogene Verteilung des Aluminiumoxids und Siliziumdioxids aufweist. Die Kristallstruktur dieses Aluminiumsilikats ist im Gegensatz zu der der Zeolithe böhmitisch und wird mit steigendem Siliziumdioxidgehalt amorph. Die spezifische Oberfläche dieses Aluminiumsilikats beträgt abhängig vom Siliziumdioxidgehalt 200 bis 500 m²/g und zeigt eine ausgezeichnete Oberflächenstabilität gegenüber den Betriebsbedingungen bei der Dieselabgas­ einigung. Tabelle 1 belegt diese Eigenschaften. Sie zeigt für verschiedene Zusammensetzungen des Aluminiumsilikats die spezifische Oberfläche (BET-Oberfläche nach Brunauer, Emmett und Teller gemäß DIN 66131) im Frischzustand und nach einer forcierten Alterung (7-stündige Lagerung in einem synthetischen Abgas aus 10 Vol.-% Kohlendioxid, 6 Vol.-% Sauerstoff, 10 Vol.-% Wasserdampf, Rest Stickstoff).
Tabelle 1
Oberflächenstabilität des Aluminiumsilikats
Bevorzugt wird für den erfindungsgemäßen Katalysator ein Aluminiumsilikat mit einem Gewichtsverhältnis Silizium­ dioxid/Aluminiumoxid von unter 0,5, insbesondere unter 0,25 eingesetzt.
Diese Aluminiumsilikate können gegebenenfalls homogen eingebrachte, hochtemperaturstabile Oxide bildende Elemente enthalten. Geeignete Elemente stellen zum Beispiel die Seltenen Erden wie Lanthan und Cer sowie Zirkon und die Erdalkalimetalle dar, die in Form geeigneter Vorläufer­ verbindungen eingebracht werden. Bevorzugt sind Gehalte an diesen Elementen bis 10 Gew.-% berechnet als Oxid. Ungünstig haben sich höhere Alkalimetallgehalte wie zum Beispiel von Natrium erwiesen. Gut geeignete Aluminium­ silikate weisen einen Gehalt an Natrium, berechnet als Oxid, von weniger als 75 ppm auf.
Die benötigte homogene Verteilung zwischen Aluminiumoxid und Siliziumdioxid kann nicht durch übliche Verfahren zur Stabilisierung von Aluminiumoxid erhalten werden. Auch physikalische Mischungen aus Aluminiumoxid und Siliziumdioxid sind für den erfindungsgemäßen Katalysator ungeeignet.
Ein besonders geeignetes Aluminiumsilikat wird in der DE 38 39 580 C1 beschrieben. Gemäß dieser Patentschrift wird das Aluminiumsilikat durch Vermischen einer Aluminiumverbindung mit einer Kieselsäureverbindung in wäßrigem Milieu, Trocknen sowie gegebenenfalls Calcinieren des Produktes erhalten. Als Aluminiumverbindung wird ein C₂-C₂₀ Aluminiumalkoholat verwendet, das mit über Ionenaus­ tauschern gereinigtem Wasser hydrolysiert wird. Dem Hydrolysewasser werden 0,1-5,0 Gew.-% einer über Ionenaustauscher gereinigten Orthokieselsäurelösung zugesetzt. Alternativ kann dem durch neutrale Hydrolyse gewonnenen Tonerde/Wasser-Gemisch eine 0,1-5,0 Gew.-%ige über Ionenaustauscher gereinigte Orthokieselsäure zugesetzt werden. Dieses besonders geeignete Aluminiumsilikat kann Zusätze von Lanthanoxid oder auch andere Seltenerdoxide enthalten.
Die im erfindungsgemäßen Katalysator zu verwendenden Zeolithe müssen ein Modul größer als 10 aufweisen, um ausreichend stabil gegenüber den sauren Komponenten des Abgases und den maximalen Abgastemperaturen zu sein. Geeignete Zeolithe sind zum Beispiel ZSM5, Mordenit und dealuminierter Y-Zeolith (DAY). Sie können in der Na⁺- oder H⁺-Form eingesetzt werden.
Zeolithe können durch die allgemeine Formel
M2/n O · Al₂O₃ · x SiO₂ · y H₂O
mit x 2 beschrieben werden (Donald W. Breck: "Zeolithe Molecular Sieves", John Wiley & Sons, 1974). M bezeichnet darin ein Kation mit der Wertigkeit n wie zum Beispiel H⁺ (n = 1), Na⁺ (n = 1) oder Ca2+ (n = 2). x ist das sogenannte Modul des Zeolithen und gibt das Molverhältnis Siliziumdioxid/Aluminiumoxid an. Unter Berücksichtigung der Molgewichte weisen Zeolithe also ein Gewichtsverhältnis Siliziumdioxid/Aluminiumoxid von größer als 1,18 auf. Bevorzugt werden für die erfindungsgemäßen Katalysatoren Zeolithe mit einem Modul größer als 10, d. h. mit einem Gewichtsverhältnis Siliziumdioxid/Aluminiumoxid größer als 5,9 eingesetzt. Ein solches Verhältnis sichert eine ausreichende Stabilität der charakteristischen Kristall­ struktur der Zeolithe gegenüber den Temperaturen der Dieselabgase und der in ihnen enthaltenen sauren Schad­ stoffanteile.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Zeolithgemisch aus wenigstens zwei Zeolithen verwendet, von denen einer einen Modul kleiner als 50 und der zweite einen Modul größer als 200 aufweist. Es hat sich gezeigt, daß ein möglichst breites Spektrum der Module der verwendeten Zeolithe sich vorteilhaft auf die Umsetzungsraten für die Schadstoffe auswirkt. Durch eine dealuminierende Behandlung ist es möglich, Zeolithe eines Strukturtyps mit einem breiten Spektrum an Modulen herzustellen. Der Modul eines stöchiometrisch zusammen­ gesetzten ZSM5-Zeolithen hat zum Beispiel einen Wert von 5.
Durch Dealuminierung können Modulwerte bis größer als 1000 eingestellt werden. Ähnlich verhält es sich mit dem Y-Zeolithen und Mordenit. Tabelle 2 listet die Eigenschaften einiger für den erfindungsgemäßen Katalysator geeigneter Zeolithe auf.
Tabelle 2
Eigenschaften einiger Zeolithe
Bevorzugt wird in dem erfindungsgemäßen Katalysator eine Mischung aus den 5 in Tabelle 2 angegebenen Zeolithen eingesetzt. Das Gewichtsverhältnis der Zeolithe zueinander kann in weiten Grenzen variieren. Vorwiegend wird jedoch eine Mischung mit gleichen Gewichtsanteilen aller Zeolithe verwendet.
Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Katalysators wird die Zeolithmischung mit den katalytisch aktivierten zusätzlichen Metalloxiden vermischt. Dabei kommen Gewichtsverhältnisse Metalloxide/Zeolithmischung von 5 : 1 bis 1 : 3 zur Anwendung.
Die resultierende Katalysatormischung kann unter Zusatz geeigneter Hilfsstoffe wie anorganischen Bindern (z. B. Silicasol), Porenbildnern, Plastifizieren und Befeuchtungsmittel in bekannter Weise zu Formkörpern wie Tabletten und Extrudaten verarbeitet werden. Bevorzugt wird der Katalysator jedoch in Form einer Beschichtung auf den Innenwandungen der Strömungskanäle von Honigwabenkörpern aufgebracht.
Für die Abgasreinigung von Dieselmotoren sind Beschichtungsmengen von 50 bis 400 g/l Volumen des Waben­ körpers erforderlich. Die Zusammensetzung des Katalysators sollte dabei so abgestimmt werden, daß die katalytisch aktiven Komponenten auf den zusätzlichen Metalloxiden in einer Konzentration von 0,01 bis 5 g/l Volumen des Wabenkörpers vorliegen.
Die notwendigen Beschichtungstechniken sind dem Fachmann bekannt. So wird zum Beispiel die Katalysatormischung aus aktivierten Metalloxiden und der Zeolithmischung zu einer wäßrigen Beschichtungsdispersion verarbeitet. Dieser Dispersion kann als Binder zum Beispiel Silicasol zugegeben werden. Die Viskosität der Dispersion kann durch geeignete Zusatzstoffe eingestellt werden, so daß es möglich wird, die benötigte Beschichtungsmenge in einem einzigen Arbeits­ gang auf die Wandungen der Strömungskanäle aufzubringen. Ist dies nicht möglich, so kann die Beschichtung mehrfach wiederholt werden, wobei die frisch aufgebrachte Beschichtung jeweils durch eine Zwischentrocknung fixiert wird. Die fertige Beschichtung wird dann bei erhöhter Temperatur getrocknet und für die Dauer von 1 bis 4 Stunden bei Temperaturen zwischen 300 und 600°C an Luft calciniert.
Die Erfindung wird nun anhand einiger Beispiele und Vergleichsbeispiele aus dem Stand der Technik näher erläutert.
Vergleichsbeispiel V1
Gemäß EP 0 427 970 A2 wurde ein Vergleichskatalysator hergestellt. Hierzu wurde eine Beschichtungsdispersion mit einem Feststoffanteil von 30 Gew.-% angefertigt. Die Dispersion enthielt bezogen auf die Trockenmasse 80 Gew.-% Zeolithpulver (H-Mordenit, x = 25 und 20 Gew.-%. Silica- Sol). Anschließend wurde ein Wabenkörper durch Eintauchen in die Beschichtungsdispersion mit den Oxiden beschichtet und danach bei 100°C an Luft getrocknet. Nach einer 1,5- stündigen Temperung bei 300°C wurde der beschichtete Wabenkörper für 3 Stunden bei 500°C kalziniert. Der beschichtete Wabenkörper wurde anschließend mit einer wäßrigen Lösung von Tetraamminplatin(II)-hydroxid imprägniert, bei 150°C an Luft getrocknet und bei 250°C kalziniert. Der fertige Katalysator enthielt pro Liter Wabenkörpervolumen 120 g Oxid und 1,77 g Platin.
Der offenzellige Wabenkörper bestand aus Cordierit mit 2,5 cm Durchmesser, 7,6 cm Länge, 62 Zellen beziehungsweise Strömungskanälen pro cm² und einer Wandstärke der Strömungskanäle von 0,2 mm.
Vergleichsbeispiel V2
Nach DE 39 40 758 A1, Beispiel 18, wurde ein Vergleichs­ katalysator wie folgt hergestellt. Es wurde eine wäßrige Beschichtungsdispersion mit einem Feststoffanteil von 40% angefertigt. Die Dispersion enthielt bezogen auf die Trockenmasse 60 Gew.-% y-Aluminiumoxid (180 m²/g spezifische Oberfläche) und 40 Gew.-% Titandioxid (50 m²/g spezifische Oberfläche). Anschließend wurde ein Wabenkörper durch Eintauchen in die Beschichtungsdispersion mit den Metalloxiden beschichtet und danach bei 120°C an Luft getrocknet. Nach einer 2-stündigen Kalzinierung bei 400°C wurde der beschichtete Wabenkörper mit einer wäßrigen Lösung von Tetraamminplatin(II)-hydroxid imprägniert, bei 150°C an Luft getrocknet und bei 300°C kalziniert. Danach erfolgte eine Imprägnierung mit Vanadiumoxalat. Die Trocknung erfolgte bei 120°C an Luft, die Vanadiumzersetzung bei 500°C an Luft. Die so gewonnene Katalysatorvorstufe wurde für die Dauer von 2 Stunden bei 500°C im Formiergasstrom (95% N₂, 5% H₂) reduziert. Der fertige Katalysator enthielt pro Liter Wabenkörpervolumen 64 g Titandioxid, 96 g Aluminiumoxid, 5 g Vanadinoxid und 1,77 g Platin.
Vergleichsbeispiel V3
Analog zur DE 39 40 758 A1 wurde ein Vergleichskatalysator wie folgt hergestellt. Es wurde eine wäßrige Beschichtungs­ dispersion mit einem Feststoffanteil von 40% angefertigt. Die Dispersion enthielt bezogen auf die Trockenmasse 95 Gew.-% γ-Aluminiumoxid (180 m²/g spezifische Oberfläche) und 5 Gew.-% Siliziumdioxid (100 m²/g spezifische Oberfläche) Anschließend wurde ein Wabenkörper durch Eintauchen in die Beschichtungsdispersion mit den Metalloxiden beschichtet und danach bei 120°C an Luft getrocknet. Nach einer 2- stündigen Kalzinierung bei 400°C wurde der beschichtete Wabenkörper mit einer wäßrigen Lösung von Hexachloro­ platinsäure imprägniert, bei 150°C an Luft getrocknet und bei 300°C kalziniert. Die so gewonnene Katalysatorvorstufe wurde für die Dauer von 2 Stunden bei 500°C im Formiergas­ strom (95% N₂, 5% H₂) reduziert. Der fertige Katalysator enthielt pro Liter Wabenkörpervolumen 200 g Oxid und 1,77 g Platin.
Vergleichsbeispiel V4
Nach DE 44 35 073 A1, Beispiel 13, wurde ein Vergleichskatalysator wie folgt angefertigt. Zuerst wurde Cerdioxid mit einer spezifischen Oberfläche von 105 m²/g mit Palladium imprägniert. Hierzu wurde das Cerdioxid mit einer wäßrigen Lösung von Teraamminpalladium(II)-nitrat unter ständigem Rühren in Kontakt gebracht, so daß ein feuchtes Pulver entstand. Nach zweistündiger Trocknung bei 120°C in Luft wurde das entstandene Pulver für 2h bei 300°C in Luft kalziniert. Das so hergestellte Pd-Ceroxid-Pulver enthielt, bezogen auf sein Gesamtgewicht 1,47 Gew.-% Palladium. Aus dem vorgefertigten Pd/CeO₂-Pulver wurde eine wäßrige Beschichtungsdispersion mit 40%-igem Feststoffanteil angesetzt. Zu dieser wurden folgende Zeolithpulver im Verhältnis 1 : 1 : 1 : 1 : 1 zugegeben: DAY (x < 200); Na-ZSM5 (x < 1000); H-ZSMS (x = 120); H-ZSM5 (x = 40); H-Mordenit (x = 20). Anschließend wurde ein Wabenkörper durch Eintauchen in die Beschichtungsdispersion mit einer Menge von 180 Oxiden pro Liter Wabenkörpervolumen beschichtet. Die Beschichtung wurde bei 120°C an Luft getrocknet und abschließend für 2h bei 500°C kalziniert. Der fertige Katalysator enthielt pro Liter Katalysatorvolumen 1,77 g Palladium.
Beispiel B1
Für den erfindungsgemäßen Katalysator wurde ein Aluminium­ silikat mit 5 Gew.-% Siliziumdioxid (siehe Tabelle 1) mit Platin aktiviert. Hierzu wurde das Aluminiumsilikat mit einer wäßrigen Lösung von Tetraamminplatin(II)-hydroxid unter ständigem Rühren in Kontakt gebracht, so daß ein feuchtes Pulver entstand. Nach zweistündiger Trocknung bei 120°C in Luft wurde das entstandene Pulver für 2h bei 300°C in Luft kalziniert. Anschließend erfolgte die Reduktion im Formiergasstrom ( 95 Vol.-% N₂ und 5 Vol.-% H₂) bei 500°C für die Dauer von 2h. Das so hergestellte Pt-Aluminium­ silikatpulver enthielt bezogen auf sein Gesamtgewicht 1,47 Gew.-% Platin.
Aus dem vorgefertigten Pt-Aluminiumsilikatpulver wurde eine wäßrige Beschichtungsdispersion mit 40%-igem Feststoff­ anteil angesetzt. Zu dieser wurden folgende Zeolithpulver im Verhältnis 1 : 1 : 1 : 1 : 1 zugegeben: DAY (x < 200); Na-ZSM5 (x < 1000); H-ZSM5 (x = 120); H-ZSM5 (x = 40); H-Mordenit (x = 20).
Die genaue Zusammensetzung der Beschichtungsdispersion zeigt Tabelle 3.
Tabelle 3
Zusammensetzung der Beschichtungsdispersion
Als Katalysatorträger wurde ein wabenförmiger, offenzelliger Wabenkörper aus Cordierit mit 2,5 cm Durchmesser, 7,6 cm Länge, 62 Zellen beziehungsweise Strömungskanälen pro cm² und einer Wandstärke der Strömungskanäle von 0,2 mm verwendet. Dieser Wabenkörper wurde durch Eintauchen in die Beschichtungsdispersion mit einer Menge von 180 Oxiden pro Liter Wabenkörpervolumen beschichtet. Die Beschichtung wurde bei 120°C an Luft getrocknet und abschließend für 2h bei 500°C kalziniert. Der fertige Katalysator enthielt pro Liter Katalysator­ volumen 1,77 g Platin.
Die Zusammensetzung dieses Katalysators und aller Katalysatoren der folgenden Beispiele sind in der Tabelle 4 aufgelistet.
Beispiel B2
Es wurde ein weiterer Katalysator nach Beispiel 1 angefertigt. Statt der Zeolithmischung wurde nur der DAY- Zeolith (x < 200) in einer Menge von 33 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der Katalysatormischung eingesetzt.
Beispiel B3
Es wurde ein weiterer Katalysator nach Beispiel 1 angefertigt. Statt der Zeolithmischung wurde nur Na-ZSMS (x < 1000) in einer Menge von 33 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der Katalysatormischung eingesetzt.
Beispiel B4
Es wurde ein weiterer Katalysator nach Beispiel 1 angefertigt. Statt der Zeolithmischung wurde nur H-ZSM5 (x = 120) in einer Menge von 33 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der Katalysatormischung eingesetzt.
Beispiel B5
Es wurde ein weiterer Katalysator nach Beispiel 1 angefertigt. Statt der Zeolithmischung wurde nur H-ZSM5 (x = 40) in einer Menge von 33 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der Katalysatormischung eingesetzt.
Beispiel B6
Es wurde ein weiterer Katalysator nach Beispiel 1 angefertigt. Statt der Zeolithmischung wurde nur Mordenit (x = 20) in einer Menge von 33 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der Katalysatormischung eingesetzt.
Beispiel B7
Es wurde ein weiterer Katalysator nach Beispiel 5 angefertigt. Statt eines einzelnen Zeolithen wurde eine Zeolithmischung aus H-ZSMS (x = 40) und H-ZSMS (x = 120) im Verhältnis 1 : 1 eingesetzt. Die Zeolithmenge betrug 33 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der Katalysator­ mischung.
Beispiel B8
Es wurde ein weiterer Katalysator nach Beispiel 5 angefertigt. Statt eines einzelnen Zeolithen wurde eine Zeolithmischung aus H-ZSM5 (x = 40, H-ZSM5 (x = 120) und Na-ZSMS (x < 1000) im Verhältnis 1 : 1 : 1 eingesetzt. Die Zeolithmenge betrug 33 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der Katalysatormischung.
Beispiel B9
Es wurde ein weiterer Katalysator analog zu Beispiel 1 jedoch mit einem Gewichtsverhältnis Pt-Aluminiumsilikat/ Zeolithgemisch von 1 : 2. Um im fertigen Katalysator auf dieselbe Platinkonzentration wie in Beispiel 1 zu kommen, wurde das Aluminiumsilikat mit 2,94 Gew.-% Platin belegt. Die genaue Zusammensetzung des Katalysators kann der Tabelle 4 entnommen werden.
Beispiel B10
Es wurde ein weiterer Katalysator analog zu Beispiel 7 jedoch mit einem Gewichtsverhältnis PT-Aluminiumsilikat/ Zeolithmischung von 5 : 1 angefertigt.
Beispiel B11-16
Es wurden 6 Katalysatoren nach Beispiel 1 mit unterschiedlichen Platinkonzentrationen angefertigt. Hierzu wurden Pt-Aluminiumsilikatpulver mit Platingehalten von 2,06, 1,17, 0,59, 0,29, 0,15 und 0,06 Gew.-% hergestellt.
Beispiel 17
Ein Katalysator nach Beispiel 13 mit 0,18 g Pt/l Wabenkörper wurde auf 30% seiner Länge zusätzlich mit der Beschichtungsdispersion für den Katalysator von Beispiel 9 beschichtet. Die zusätzliche Beschichtung hatte eine Konzentration von 39 g/l Wabenkörpervolumen. Der fertige Katalysator enthielt 209 g Oxide pro Liter Wabenkörper und wies eine Konzentration von 0,72 g Pt/l auf.
Beispiel B18
Die zusätzliche Beschichtung des Katalysators von Beispiel 15 wurde von jeder Stirnfläche des Wabenkörpers ausgehend auf jeweils 15% der Länge des Wabenkörpers aufgebracht.
Beispiel B19
Es wurde ein Katalysator nach Beispiel 10 mit 1,41 g Pt/l Wabenkörper jedoch nur mit der halben Oxidmenge angefertigt. Für diesen Katalysator wurde deshalb ein Pt- Aluminiumsilikat mit einem Platingehalt von 2,34 Gew.-% (doppelter Pt-Gehalt gegenüber Beispiel 10) hergestellt.
Beispiel B20
Es wurde ein Katalysator mit 140 g/l Pt-Aluminiumsilikat und 100 g/l Zeolithmischung angefertigt. Der Platingehalt des Pt-Aluminiumsilikats betrug 1,0 Gew.-%. Der fertige Katalysator enthielt 1,41 g Pt/l.
Beispiel B21
Es wurde ein Katalysator nach Beispiel 10 hergestellt. Für die Aktivierung des Aluminiumsilikats wurde eine wäßrige Lösung aus Hexachloroplatinsäure verwendet.
Beispiel B22
Es wurde ein Katalysator nach Beispiel 10 hergestellt. Für die Aktivierung des Aluminiumsilikats wurde eine wäßrige Lösung aus Platin(II)-nitrat verwendet.
Beispiel B23
Es wurde ein Katalysator nach Beispiel 9 hergestellt. Für die Aktivierung des Aluminiumsilikats wurde Palladium, eingebracht durch eine wäßrige Lösung aus Palladium(II)- nitrat, verwendet.
Beispiel B24
Es wurde ein Katalysator nach Beispiel 1 hergestellt. Für die Aktivierung des Aluminiumsilikats wurde eine Mischung von Platin und Rhodium im Verhältnis 5 : 1 verwendet. Als Platinvorstufe wurde Hexachloroplatinsäure und als Rhodiumvorstufe Rhodium(III)chlorid eingesetzt.
Beispiel B25
Es wurde ein Katalysator nach Beispiel 1 hergestellt. Für die Aktivierung des Aluminiumsilikats wurde eine Mischung von Platin, Palladium und Rhodium im Verhältnis 10 : 1 : 3 verwendet. Als Platinvorstufe wurde Tetraamminplatin(II)­ hydroxid, als Palladiumvorstufe Palladium(II)-nitrat und als Rhodiumvorstufe Rhodium(II)-nitrat eingesetzt.
Beispiel B26
Es wurde ein Katalysator nach Beispiel 10 hergestellt. Für die Aktivierung des Aluminiumsilikats wurde eine wäßrige Lösung aus Methylethanolamin-Platin(II)-hydroxid eingesetzt.
Beispiel B27
Es wurde ein Katalysator nach Beispiel 1 hergestellt. Abweichend von Beispiel 1 wurde das mit Platin aktivierte Aluminiumsilikat nicht im Formiergasstrom reduziert, sondern nur zwei Stunden lang an Luft bei 600°C calciniert.
Beispiel B28
Es wurde ein Katalysator nach Beispiel 1 hergestellt, jedoch wurde das Pt-Aluminiumsilikat nach der Imprägnierung nicht getrocknet und calciniert beziehungsweise reduziert, sondern sofort mit dem Zeolithgemisch vermischt und zur Beschichtungsdispersion verarbeitet. Hierzu wurde das Aluminiumsilikat in einer wäßrigen Lösung aus Platin(II)­ nitrat dispergiert. Anschließend wurde der pH-Wert der Dispersion durch Zugabe einer wäßrigen, konzentrierten Ammoniaklösung auf einen Wert von 9 angehoben. Dann wurde die Zeolithmischung in die Dispersion eingerührt. Die fertige Dispersion wies einen Feststoffanteil von 40 Gew.-% auf.
Beispiel B29
Es wurde ein Katalysator nach Beispiel 32 hergestellt. Anstelle von Platin(II)-nitrat wurde eine wäßrige Lösung von Tetraamminplatin(II)-nitrat verwendet. Die pH-Wert Einstellung auf einen Wert von 2 erfolgte durch Zugabe einer gesättigten aliphatischen Monocarbonsäure.
Beispiel B30
Es wurde ein Katalysator nach Beispiel 17 hergestellt. Anstelle des keramischen Wabenkörpers aus Cordierit wurde ein ebenfalls offenzelliger, wabenförmiger Metallkörper mit einem Durchmesser von 2,5 cm, einer Länge von 7,5 cm sowie 62 Zellen beziehungsweise Strömungskanälen/cm² und einer Wandstärke der Strömungskanäle von 0,04 mm verwendet.
Beispiel B31
Es wurde ein Katalysator nach Beispiel 9 hergestellt. Anstelle das Aluminiumsilikates wurde ein y-Aluminiumoxid mit einer spezifischen Oberfläche von 188 m²/g eingesetzt.
Beispiel B32
Es wurde ein Katalysator nach Beispiel 9 hergestellt. Anstelle des Aluminiumsilikates wurde Titanoxid mit einer spezifischen Oberfläche von 95 m²/g eingesetzt.
Anwendungsbeispiel
Die katalytische Aktivität der Abgasreinigungskatalysatoren der vorstehenden Beispiele wurde an einer Synthesegasanlage gemessen. Mit dieser Anlage ist es möglich, alle im realen Abgas eines Diesel- oder Otto-Motors vorhandenen gasförmigen Abgaskomponenten zu simulieren. Die gewählten Prüfbedingungen und die Modellgaszusammensetzung sind in Tabelle 5 aufgelistet. Als Kohlenwasserstoffkomponente wurde n-Hexadecan, Trivialname Cetan, welches als Bezugs­ substanz für die Bestimmung der Zündwilligkeit von Diesel­ kraftstoffen bekannt ist, verwendet. Diese langkettige, aliphatische Verbindung findet sich auch zu erheblichen Anteilen im realen Dieselabgas wieder.
Zur Messung der im Abgas enthaltenen Gaskomponenten wurden die in Tabelle 6 angegebenen Meßgeräte verwendet.
An der Synthesgasanlage wurden die Umsetzungen von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen im Dauerbetrieb bei Abgastemperaturen von 140°C gemessen. Die Messungen wurden sowohl an den frischen als auch an den gealterten Katalysatoren vorgenommen (Ofenalterung: 16 h bei 750°C an Luft + 10 Vol.-% H₂O + 25 ppm SO₂).
Zur Bestimmung der Anspringtemperaturen wurde das Abgas mit einer Aufheizrate von 15°C/min erwärmt. Die Bestimmung der Konversion von Stickoxiden wurde bei einer Abgastemperatur von 200°C ermittelt.
Die Berechnung der Konversionsraten erfolgte mittels folgender Formel
X = Umsetzungsrate [%]
NE = Konzentration des Schadstoffes vor Katalysator [vppm]
NA = Konzentration des Schadstoffes nach Katalysator [vppm].
Die mit den Katalysatoren des Vergleichbeispieles und des Beispieles B1 erzielten Schadstoffumsetzungen sind in den Tabellen 7 und 8 aufgelistet. In Tabelle 7 handelt es sich um die Leistungsdaten der frischen Katalysatoren, während die Ergebnisse der Tabelle 8 mit Katalysatoren erhalten wurden, die einer Ofenalterung von 16 h bei 750°C in Luft + 10% Vol.-% H₂O + 25 ppm SO₂ unterworfen worden waren.
Tabelle 5
Prüfbedingungen und Modellgaszusammensetzung zur Bestimmung der Umsetzungsraten der Schadstoffe CO, HC, NOx und SO₂ in der Synthesegasanlage
Tabelle 6
Zusammenstellung der Meßgeräte zur Messung der Abgaskonzentration im Synthesegasteststand
Tabelle 7
Schadstoffumsetzung durch die Katalysatoren der Beispiele B1-B32 und V1-V4 im Frischzustand
Tabelle 8
Schadstoffumsetzung durch Katalysatoren von ausgewählten Beispielen nach Ofenalterung (16h, 750°C, Luft + 10 vol.-% H₂O + 25 ppm SO₂)

Claims (7)

1. Katalysator zur Reinigung der Abgase von Dieselmotoren enthaltend ein oder mehrere Zeolithe sowie mindestens ein Platingruppenmetall, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator zusätzlich ein oder mehrere Metalloxide aus der Gruppe Aluminiumsilikat, Aluminium­ oxid und Titanoxid enthält, wobei das Aluminiumsilikat ein Gewichtsverhältnis Siliziumdioxid/Aluminiumoxid von 0,005 bis 1 aufweist und die Platingruppenmetalle nur auf diesen zusätzlichen Metalloxiden abgeschieden sind.
2. Katalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Zeolithmischung aus mindestens zwei Zeolithen mit Modulen größer als 10 enthält, von denen einer einen Modul kleiner als 50 und der zweite einen Modul größer als 200 aufweist.
3. Katalysator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeolithgemisch aus zwei bis fünf Zeolithen mit unterschiedlichen Modulen besteht.
4. Katalysator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewichtsverhältnis der zusätzlichen Metalloxide inklusive der Platingruppenmetalle zu dem Zeolithgemisch 5 : 1 bis 1 : 3 beträgt.
5. Katalysator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er in Form einer Beschichtung auf den Innenwandungen eines Wabenkörpers in einer Konzentration von 50 bis 400 g/l Wabenkörpervolumen aufgebracht ist.
6. Katalysator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Platingruppenmetalle in einer Konzentration von 0,01 bis 5 g/l Wabenkörpervolumen vorliegen.
7. Verwendung des Katalysators nach einem der vorstehenden Ansprüche für die Reinigung der Abgase von Dieselmotoren.
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