DE3726580C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Katalysator für die Reinigung von
Auspuffgasen gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Aus der US-PS 35 65 830 ist bekannt, daß der Träger
eines Katalysators für die Reinigung von Auspuffgasen verbessert
werden kann, indem der Katalysatorträger mit einer Schicht
aus aktiviertem Aluminiumoxid überzogen wird.
Ferner ist aus der JP-OS 63133/1982 ein Katalysator für die
Reinigung von Auspuffgasen mit einem porösen anorganischen Katalysatorträger,
der mit einem Doppeloxid von Cer und Lanthan
überzogen ist, bekannt, wobei auf dem Doppeloxid als katalytisch wirksame
Komponente Platingruppenmetalle vorhanden sind.
Dem aus der JP-OS 63133/1982 bekannten Katalysator lag die
Aufgabe zugrunde, das Auspuffgas-Reinigungsverhältnis und die
Haltbarkeit durch Steigerung der Sauerstoff-Speicherungswirkung
und Vergrößerung des "Fensters" zu verbessern. Unter dem
"Fenster" ist eine Eigenschaft zu verstehen, die den Toleranzbereich
eines durch die folgende Gleichung ausgedrückten Luftüberschußverhältnisses
(1/R) bestimmt.
Luftüberschußverhältnis (1/R) = OO/OR
worin OR: Sauerstoffmenge, die erforderlich ist, um alle reduzierenden Mischungen zu Wasser (H₂O) und Kohlendioxid (CO₂) zu oxidieren,
OO: lieferbare Sauerstoffmenge in oxidierenden Mischungen.
worin OR: Sauerstoffmenge, die erforderlich ist, um alle reduzierenden Mischungen zu Wasser (H₂O) und Kohlendioxid (CO₂) zu oxidieren,
OO: lieferbare Sauerstoffmenge in oxidierenden Mischungen.
Ein großes "Fenster" bedeutet, daß der Toleranzbereich weit
ist. Das Auspuffgas-Reinigungsverhältnis und die Haltbarkeit
des Katalysators sind im Vergleich zu einem Katalysator, der
nur Ceroxid enthält, verbessert worden.
Aus der DE-AS 25 26 385 ist ein Katalysator für die Reinigung
von Auspuffgasen bekannt, der durch Imprägnieren eines mit einer
Aufschlämmung von hydratisiertem Aluminiumoxid überzogenen,
getrockneten und kalzinierten Katalysatorträgers mit einer Lösung
einer Erdalkalimetallverbindung und/oder mindestens einer
Seltenerdmetallverbindung wie einer Lanthan- oder Cerverbindung,
anschließendes Trocknen und Calcinieren zur Bildung eines
oxidischen Überzugs und Imprägnieren des Überzugs mit einer
Lösung einer Rutheniumverbindung sowie einer Erdalkalimetallverbindung
und/oder mindestens einer Seltenerdmetallverbindung
bei gleichzeitiger Fällung und abschließendes Reduzieren
im Wasserstoffstrom und Calcinieren bei 800 bis 2000°C zum Fixieren
des metallischen Rutheniums in Form von Ruthenat (eines
Ruthenium-Doppeloxids) hergestellt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Katalysator für
die Reinigung von Auspuffgasen gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch
1 bereitzustellen, der ein besseres Auspuffgas-Reinigungsverhalten
zeigt und eine hohe Sauerstoff-Speicherungswirkung
hat, um den thermischen Abbau der Katalysatorkomponenten
wirksam zu verhindern.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß auf der Oberfläche des
mit Aluminiumoxid überzogenen Katalysatorträgers ein Perowskit-
Doppeloxid gebildet wurde, das aus Magnesiumoxid, Calciumoxid,
Strontiumoxid und/oder Bariumoxid sowie Lanthanoxid und Ceroxid
besteht.
Das Perowskit-Doppeloxid
ist ein Doppeloxid mit einer Perowskitstruktur, die eine Art
der Kristallstruktur von Doppeloxiden ist und durch die chemische
Formel RMO₃ ausgedrückt wird. Die Perwoskitstruktur
gehört im Fall des Idealkristalls zum kubischen System und
enthält in einer Elementarzelle eine chemische Einheit RMO₃.
Das heißt, R bildet ein einfaches kubisches Gitter, M befindet
sich im Zentrum des Körpers, und O befindet sich im Zentrum
der Flächen. Nur wenige Perowskit-Doppeloxide gehören jedoch
zum kubischen System mit Idealkristall. Die meisten Perowskit-
Doppeloxide gehören zum tetragonalen, monoklinen,
rhombischen oder hexagonalen System mit einem deformierten
Kristall.
Die begefügten
Zeichnungen
zeigen graphische Darstellungen des in den
Beispielen und Vergleichsbeispielen
gefundenen Kohlenmonoxid-(CO-)Reinigungsverhältnisses
(Fig. 1),
des Kohlenwasserstoff-(HC-)Reinigungsverhältnisses
(Fig. 2) und des
Stickstoffoxid-(NO x -)Reinigungsverhältnisses (Fig. 3),
jeweils in Abhängigkeit von der Temperatur.
Für den Katalysatorträger, der im Rahmen der Erfindung verwendet
wird, ist keine besondere Struktur bzw. Bauart erforderlich.
Es wird im allgemeinen ein gekörnter, pelletierter,
wabenförmiger oder geschäumter monolithischer Katalysatorträger
verwendet. Hierbei hat der monolithische Katalysatorträger
eine Gaseinlaßöffnung an einem Ende und eine Gasauslaßöffnung
an dem anderen Ende, und in dem Katalysatorträger
sind viele Poren ausgebildet. Als Katalysatorträger können
Cordierit, Mullit, Aluminiumoxid oder aktiviertes Aluminiumoxid,
verwendet
werden.
Das vorstehend erwähnte Perowskit-Doppeloxid
wird durch
die chemische Formel
M(II)1-x La x CeO3- δ
ausgedrückt, worin M Mg, Ca, Sr und/oder Ba bedeutet. Es ist
vorzugsweise ein Doppeloxid, bei dem 0<x<¾ ist. Hierin ist
δ (delta) der Betrag des Sauerstoffmangels, der durch die
Gleichung δ=(x/2)+δ′ ausgedrückt werden kann. In der
Gleichung ist δ′ der Betrag des Sauerstoffmangels, der auf
die Oxidation-Reduktion von Cer zurückzuführen ist.
Neben dem Perowskit-Doppeloxid können auch
Erdalkalimetalloxide,
Lanthanoxid oder Ceroxid bzw. daraus gebildete
Doppeloxide vorhanden sein. Als Erdalkalimetalloxid,
das in dem Perowskit-Doppeloxid
enthalten ist, wird das Oxid von Barium (Ba)
bevorzugt.
Als Erdalkalimetall-, Lanthan- und Cerverbindungen für die Bildung
des Perowskit-Doppeloxids durch Calcinieren können z. B. wasserlösliche Salze wie Nitrate,
Carbonate oder Oxide dieser Metalle in dem festgelegten stöchiometrischen Verhältnis verwendet
werden.
Das Perowskit-Doppeloxid kann
durch ein übliches Verfahren entweder auf die Oberfläche eines
Katalysatorträgers oder auf die Oberfläche von Zellen eines Katalysatorträgers
aufgebracht werden, nachdem das zuvor gebildete Doppeloxid,
vorzugsweise mit einem Korndurchmesser von 5 bis 30 µm, zu
einer Aufschlämmung
von aktiviertem Aluminiumoxid mit demselben Korndurchmesser
hinzugegeben worden ist.
Die zum Aluminiumoxid hinzuzugebende
Menge des Doppeloxids beträgt 0,5 bis 100 Masse-% und vorzugsweise
5 bis 45 Masse-%.
Als
katalytisch wirksame Komponente wird ein oder mehr als ein
Platingruppenmetall wie z. B. Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh) und Iridium
(Ir) verwendet. Es wird besonders
bevorzugt, mindestens zwei aus Platin (Pt),
Palladium (Pd) und Rhodium (Rh) ausgewählte Platingruppenmetalle zu kombinieren. Die katalytisch wirksamen
Komponenten werden in einer innerhalb des üblichen Bereichs
liegenden Menge verwendet.
Wenn eine nur das Perowskit-Doppeloxid und die
katalytisch wirksame Komponente enthaltende Schicht
auf einem beispielsweise aus
Cordierit, Mullit oder Aluminiumoxid bestehenden Katalysatorträger
gebildet wird, können das Doppeloxid und die katalytisch wirksame
Komponente ihre katalytischen Wirkungen nicht in vollem Maße
entfalten. Das Doppeloxid und die katalytisch wirksame
Komponente sind aus diesem Grunde
vorzugsweise auf aktiviertem Aluminiumoxid, beispielsweise q-
Aluminiumoxid, aufgebracht. Ein thermischer Abbau oder eine
Sinterung des aktivierten Aluminiumoxids wird durch die Anwesenheit
des Perowskit-Doppeloxids vollständig verhindert.
Das das Perowskit-Doppeloxid hitzebeständig ist, zeigt der erfindungsgemäße
Katalysator eine ausgezeichnete Hitzebeständigkeit
und infolgedessen auch eine sehr gute Haltbarkeit.
Cer (Ce), das in Form von Ceroxid in dem Perowskit-Doppeloxid enthalten ist,
hat eine Sauerstoff-Speicherungswirkung.
Der erfindungsgemäße Katalysator zeigt auch in einem
höheren Temperaturbereich diese Sauerstoff-Speicherungswirkung,
weil das Perowskit-Doppeloxid hitzebeständig
ist. Er kann eine
thermische Verschlechterung bzw. einen thermischen Abbau
der katalytisch wirksamen Komponente wirksam verhindern,
weil das Perowskit-Doppeloxid eine besondere Oxidations-Reduktions-
Wirkung sowie die Sauerstoff-Speicherungswirkung
zeigt.
Die Sauerstoff-Speicherungswirkung und die
beim Dispergieren der Platingruppenmetalle gezeigte Wirkung von Cer (Ce) bzw. Lanthan (La)
werden unverändert aufrechterhalten, weil der erfindungsgemäße
Katalysator Cer (Ce) und Lanthan (La) in Form des Perowskit-
Doppeloxids enthält. Ferner werden bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen
Katalysators, der Lanthan und Barium enthält,
Platingruppenmetall-
Komplexionen stark adsorbiert.
Folglich liegen bei einem solchen erfindungsgemäßen
Katalysator die katalytisch wirksamen Komponenten in einem
hochdispersen Zustand vor.
Barium (Ba), das eine stärkere Basizität als die anderen
Erdalkalimetalle hat, wird deshalb
bevorzugt.
Der erfindungsgemäße Katalysator zeigt
eine auffallend verbesserte Haltbarkeit und liefert in
beachtlichem Ausmaß verbesserte Reinigungsverhältnisse für
Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoffe (HC) und Stickstoffoxide
(NO x ).
300 g destilliertes Wasser, 1000 g Aluminiumoxidpulver und
700 g Aluminiumoxidsol mit einem Aluminiumoxidgehalt von 10
Masse-% wurden zusammengemischt. Die Mischung wurde zur Herstellung
einer Aufschlämmung gerührt. Ein aus Cordierit hergestellter,
monolithischer Katalysatorträger wurde 1 min
lang in die Aufschlämmung eingetaucht. Nach dem Herausnehmen
aus der Aufschlämmung wurde der monolithische Katalysatorträger
einem Luftstrahl ausgesetzt, um die in den
Zellen befindliche überschüssige Aufschlämmung wegzublasen.
Dann wurde der monolithische Katalysatorträger 1 h
lang bei 150°C getrocknet und 2 h lang bei 700°C calciniert.
Die vorstehend beschriebenen Vorgänge wurden zweimal wiederholt.
Auf diese Weise wurde der monolithische Katalysatorträger
mit einer γ-Aluminiumoxidschicht überzogen.
Dann wurden Bariumnitrat, Lanthannitrat und Cernitrat in dem
Zusammensetzungsverhältnis, das in der Tabelle aufgeführt
ist, vermischt, und zur Herstellung einer wäßrigen Lösung
wurde destilliertes Wasser zugegeben. Der monolithische Katalysatorträger,
der mit der γ-Aluminiumoxidschicht
überzogen worden war, wurde in die wäßrige Lösung eingetaucht.
Nach dem Herausnehmen aus der wäßrigen Lösung wurde der monolithische
Katalysatorträger einem Luftstrahl ausgesetzt,
um die überschüssige wäßrige Lösung wegzublasen.
Dann wurde der monolithische Katalysatorträger 1 h
lang bei 150°C getrocknet und 2 h lang bei 700°C calciniert.
Auf diese Weise wurde in der γ-Aluminiumoxidschicht das Perowskit-
Doppeloxid Ba1-x La x CeO3- δ gebildet.
Nach der Bildung des Perowskit-Doppeloxids wurde der monolithische
Katalysatorträger 1 h lang in eine wäßrige
Dinitrodiamminplatinlösung eingetaucht. Nach dem Herausnehmen
aus der Lösung wurde der monolithische Katalysatorträger
1 h lang bei 150°C getrocknet. Die in dieser Weise auf die
γ-Aluminiumoxidschicht mit dem Perowskit-Doppeloxid aufgebrachte Platinmenge ist in der
Tabelle aufgeführt. Dann wurde der
monolithische Katalysatorträger 1 h lang in eine wäßrige
Palladiumchloridlösung eingetaucht. Nach dem Herausnehmen
aus der Lösung wurde der Träger
1 h lang bei 150°C getrocknet. Die in dieser Weise auf die
γ-Aluminiumoxidschicht mit dem Perowskit-Doppeloxid aufgebrachte Palladiummenge ist
ebenfalls in der Tabelle aufgeführt.
In gleicher Weise wurde ein Katalysator mit dem in der Tabelle aufgeführten Zusammensetzungsverhältnis
erhalten. Der Anteil des auf die γ-
Aluminiumoxidschicht mit dem Perowskit-Doppeloxid
aufgebrachten Cers (Ce) betrug 1,5 mol je 1 l
Katalysator und war somit um
0,5 mol je Liter Katalysator höher als der des Katalysators von Beispiel 1.
In gleicher Weise wurde ein weiterer
Katalysator
mit dem in der Tabelle aufgeführten Zusammensetzungsverhältnis
erhalten. Der Anteil des auf die γ-
Aluminiumoxidschicht mit dem Perowskit-Doppeloxid
aufgebrachten Lanthans (La) betrug dabei 0,75 mol je 1 l
Katalysator. Der Katalysator wies somit
je Liter 0,5 mol mehr Lanthan (La) auf als der Katalysator von
Beispiel 1.
Ein Vergleichskatalysator wurde analog der Herstellung des Katalysators
von Beispiel 1 erhalten. Der Katalysator der das
in der Tabelle aufgeführte Zusammensetzungsverhältnis aufwies,
enthielt aber kein Barium. Der mit
der γ-Aluminiumoxidschicht überzogene
monolithische Katalysatorträger wurde dazu in
eine wäßrige Metallnitratlösung eingetaucht,
die eine Mischung von Lanthannitrat und Cernitrat in einem
Molverhältnis von 1 : 1, jedoch kein Bariumnitrat enthielt.
In gleicher Weise wie bei der Herstellung des Katalysators
von Beispiel 1 wurde ein weiterer Katalysator
mit dem in der Tabelle aufgeführten Zusammensetzungsverhältnis
erhalten. Dieser Katalysator
enthielt weder Cer noch Lanthan.
Die für Beispiel 1 aufgeführte
Zusammensetzung entspricht einem Katalysator, bei dem das
Perowskit-Doppeloxid die chemische Formel
Ba1-x La x CeO3- w
hat,
in der x den Wert ¼ hat. Die in der Tabelle aufgeführten
erfindungsgemäßen Katalysatoren werden in der Weise hergestellt,
daß das Perowskit-Doppeloxid die chemische Formel
Ba1-x La x CeO3- δ
hat, in der 0<x<¾ aufweist.
Die in der Tabelle aufgeführten Katalysatoren der Beispiele und Vergleichsbeispiele
wurden der nachstehend beschriebenen Haltbarkeitsprüfung unterzogen.
Ebenfalls wurde ihr Auspuffgas-Reinigungsverhalten bewertet.
Bei der Haltbarkeitsprüfung wurden die Katalysatoren an der
Auspuffgasanlage eines Sechszylindermotors mit einem Hubvolumen
von 2800 cm³ angeschlossen. Die Haltbarkeitsprüfung wurde
unter den folgenden Bedingungen durchgeführt:
Luft/Brennstoff-Verhältnis: etwa 16,0
Raumgeschwindigkeit: 60 000 h⁻¹
Katalysatorbettemperatur: 850°C
Raumgeschwindigkeit: 60 000 h⁻¹
Katalysatorbettemperatur: 850°C
Zur Prüfung des Auspuffgas-Reinigungsverhaltens wurden
die Katalysatoren mit einer gasförmigen Mischung nachstehender Zusammensetzung
beaufschlagt, und die Reinigungsverhältnisse
für Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und Stickstoffoxide
bei einer Raumgeschwindigkeit von
56 750 h⁻¹ gemessen:
CO: 2%
C₃H₈: 200 ppm
O₂: 2%
CO₂: 10%
H₂O: 10%
N₂: Rest
C₃H₈: 200 ppm
O₂: 2%
CO₂: 10%
H₂O: 10%
N₂: Rest
Die Reinigungsergebnisse werden in Fig. 1, 2 und 3 gezeigt.
Es wurde festgestellt, daß der Katalysator von Beispiel 1 viel wirksamer ist als der
Katalysator von Beispiel 2, der zusätzlich zu dem Perowskit-
Doppeloxid, das eine hohe Sauerstoff-
Speicherungswirkung aufweisende Cer enthielt, und als
der Katalysator von Beispiel 3, der zusätzlich zu dem Perowskit-
Doppeloxid, das eine hohe stabilisierende
Wirkung auf Aluminiumoxid ausübende Lanthan enthielt.
Der Katalysator von Beispiel 1 ist in
hohem Grade aktiviert, weil sich bei diesem Katalysator die
Wirkung der Bildung des Perowskit-Doppeloxids in vollem Maße
zeigt.
Claims (1)
- Katalysator für die Reinigung von Auspuffgasen, erhältlich durch Eintauchen eines mit Aluminiumoxid überzogenen Katalysatorträgers in eine wäßrige Lösung, die mindestens eine Erdalkalimetallverbindung sowie eine Lanthan- und eine Cerverbindung enthält, anschließendes Entfernen der überschüssigen wäßrigen Lösung von dem Katalysatorträger sowie Trocknen und Calcinieren, danach Imprägnieren des Katalysatorträgers mit einer Platingruppenmetallverbindung und abschließendes Trocknen, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche des mit Aluminiumoxid überzogenen Katalysatorträgers ein Perowskit-Doppeloxid gebildet wurde, das aus Magnesiumoxid, Calciumoxid, Strontiumoxid und/oder Bariumoxid sowie Lanthanoxid und Ceroxid besteht.
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