DE4204421C2 - Katalysator für die Reinigung der Abgase von Brennkraftmaschinen - Google Patents
Katalysator für die Reinigung der Abgase von BrennkraftmaschinenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Katalysator für die Reinigung der Abgase von Brennkraftmaschinen
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Für die Abgasreinigung haben sich multifunktionelle
Katalysatoren bewährt, die bei geeigneter Führung des
Verbrennungsvorganges die Schadstoffe zu einem hohen
Prozentsatz in die unschädlichen Reaktionsprodukte
Kohlendioxid, Wasserdampf und Stickstoff überführen
können.
An die dazu erforderlichen Katalysatoren werden
hinsichtlich Anspringverhalten, Wirksamkeit,
Dauerstandsaktivität und mechanischer Stabilität größte
Anforderungen gestellt. Sie müssen zum Beispiel beim
Einsatz in Kraftfahrzeugen schon bei möglichst niedrigen
Temperaturen wirksam werden und auf lange Zeit in allen
in Betracht kommenden Temperatur- und
Raumgeschwindigkeitsbereichen einen hohen prozentualen
Umsatz der zu entfernenden Schadstoffe verbürgen.
Bisher werden neben Schüttgutkatalysatoren vor allem
monolithische Katalysatoren verwendet. Sie bestehen
entweder aus einem inerten metallischen Wabenkörper
oder aus einem inerten, niederoberflächigen
keramischen Formkörper, der von vielen parallelen
Kanälen durchzogen ist. Als keramisches Material können
zum Beispiel Cordierit, Mullit oder α-Aluminiumoxid
eingesetzt werden. Formkörper aus Cordierit haben sich
dabei am besten bewährt. Dieses Material hat einen
günstigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, so daß
der Träger gute Thermoschock-Eigenschaften aufweist, wie
sie bei den raschen Temperaturänderungen in
Kraftfahrzeugabgas-Reinigungsanlagen gefordert werden
müssen.
Auf den strukturverstärkenden Körper des
monolithischen Katalysators wird eine
temperaturbeständige Schicht als Träger für die
aktiven Katalysatorkomponenten aufgebracht. Diese
Trägerschicht besteht gewöhnlich aus einer Mischung
eines gegebenenfalls stabilisierten, hochoberflächigen
Aluminiumoxids der Übergangsreihe und einem oder
mehreren Promotoroxiden wie beispielsweise
Seltenerdoxiden, Zirkonoxid, Nickeloxid, Eisenoxid,
Germaniumoxid und Bariumoxid. Ein geeignetes
stabilisiertes Aluminiumoxid wird in der deutschen
Patentschrift DE 38 39 580 C1 beschrieben.
Bei den aktiven Katalysatorkomponenten handelt es sich
gewöhnlich um Metalle der Platingruppe wie Platin,
Palladium und/oder Rhodium, wobei gemäß der DE 38 30 318 C2 das
Gewichtsverhältnis zwischen Platin und/oder Palladium und
dem gegebenenfalls anwesenden Rhodium von 1 : 1 bis 30 : 1
beträgt. Die Trägerschicht gemäß diesem Patent besteht aus
einem 2 bis 70 Gew.-% CeO₂ und 0 bis 20 Gew.-% ZrO₂ sowie
gegebenenfalls Eisenoxid, Erdalkalioxide und/oder Seltene
Erdmetalloxide enthaltendem Aluminiumoxid der Übergangsreihe.
Die Aufbringung der die Katalyse fördernden hochoberflächigen
Trägerschicht erfolgt nach an sich bekannten
Beschichtungsverfahren. Man bringt hierzu ein temperaturbeständiges,
katalyseförderndes Trägermaterial hoher
spezifischer Oberfläche (ca. 50-250 m²/g) auf, indem der
Katalysatorkörper in eine wäßrige Dispersion des Trägermaterials
oder in eine
Lösung eines Salzes, das sich thermisch in das Trägermaterial
überführen läßt, getaucht wird. Nach Entfernen
überschüssiger Dispersion bzw. Lösung und anschließendem
Trocknen wird der beschichtete Katalysatorkörper bei
Temperaturen meist über 450°C kalziniert. Gegebenenfalls
muß dieser Vorgang zur Erzielung einer gewünschten Schichtdicke
mehrfach wiederholt werden.
Nach prinzipiell gleichem Verfahren werden auch glatte und
gewellte Metallfolien beschichtet, die nachfolgend durch
Aufwickeln oder Herstellung von Folienstapeln und Einschieben
in Hüllrohre bzw. durch Sicherung z. B. mittels
Axialringen oder Metallstiften zu wabenförmigen Formkörpern
weiterverarbeitet werden. Derartig aufgebaute Katalysatorkörper
werden ebenso zur Abgasreinigung eingesetzt wie
katalytisch beschichtete, perforierte Metallbleche.
Die katalytisch aktiven Edelmetalle können auf die
hochoberflächige Trägerschicht nach zwei verschiedenen
Verfahren aufgebracht werden.
Nach dem ersten Verfahren werden die Teilchen der
Beschichtungsdispersion ganz oder teilweise noch vor
dem Beschichten des Katalysatorkörpers durch Zugabe
einer wäßrigen Lösung einer oder mehrerer löslicher
Verbindungen der Edelmetalle zur Dispersion
imprägniert. Das anschließende Beschichten des
Katalysatorkörpers mit der so vorbereiteten Dispersion
liefert eine Trägerschicht mit einer homogenen
Verteilung der aktiven Komponenten.
Nach dem zweiten Verfahren wird zunächst der
Katalysatorkörper mit der Beschichtungsdispersion
beschichtet. Nach dem Trocknen der Schicht wird sie
zum Beispiel durch Tauchen des Katalysatorkörpers in
eine wäßrige Lösung der Edelmetallverbindungen
imprägniert. Die so imprägnierte Trägerschicht weist
in der Regel eine inhomogene Verteilung der aktiven
Komponenten auf. An der Oberfläche ist die
Konzentration hoch und nimmt mit der Tiefe der Schicht
ab. Durch geeignete Führung des Imprägniervorganges
kann der Grad der Inhomogenität gesteuert und somit
optimal auf den katalytischen Prozeß abgestimmt
werden.
Zur Aktivierung des Katalysators werden die
Edelmetallkomponenten gewöhnlich in einem Wasserstoff
enthaltenden Gasstrom bei Temperaturen von 250 bis
650°C reduziert.
Grundsätzlich können alle für Katalysatoren übliche
temperaturbeständigen und hochoberflächigen
Trägermaterialien, sowie deren Vorläufer, eingesetzt
werden. So kann man die Katalysatorkörper mit einer
wäßrigen Dispersion mindestens eines
Oxids von Magnesium, Calzium, Strontium,
Barium, Aluminium, Scandium, Yttrium, der Lanthaniden,
der Actiniden, Gallium, Indium, Silizium, Titan,
Zirkon, Hafnium, Thorium, Germanium, Zinn, Blei,
Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän oder Wolfram sowie eines
Carbids, Borids, Silicids und
Nitrids der Übergangsmetalle beschichten. Als
Vorläufer hierfür können Hydroxide, Carbonate,
Oxidhydrate, Hydroxylcarbonate, Oxalate, Citrate,
Acetate und andere leicht zersetzliche
Verbindungen dienen.
Bevorzugt werden solche temperaturbeständigen
Trägermaterialien eingesetzt, welche die Wirkung der
eigentlichen katalytisch aktiven Komponenten
synergetisch fördern. Beispiele dafür sind einfache
und zusammengesetzte Oxide, wie aktives Aluminiumoxid,
Zirkonoxid, Zinnoxid, Ceroxid oder andere
Seltenerdoxide, Siliziumoxid und Titanoxid bzw. Silikate
wie Aluminiumsilikat bzw. Titanate wie Barium- oder
Aluminiumtitanat und Zeolithe.
Besonders bewährt als temperaturbeständige
Trägermaterialien haben sich insbesondere die
verschiedenen Phasen von aktivem Aluminiumoxid der
Übergangsreihe, welche entsprechend der DE 38 39 580 C1
durch Dotierung mit Siliziumoxid und Lanthanoxid, aber
auch durch Zirkonoxid und Ceroxid, stabilisiert werden
können. Diese Trägermaterialien können mit Promotoren,
die beispielsweise die Sauerstoffspeicherfähigkeit des
Gesamtkatalysators erhöhen, gemischt oder dotiert
werden. Hierfür eignen sich besonders die Oxide von
Cer, Eisen, Nickel und/oder Zirkon.
Sie wirken sich günstig auf die Dauerstandsaktivität des
Katalysators aus und liefern darüber hinaus Vorteile bei
einer gleichzeitigen Oxidation und Reduktion der
Schadstoffe von Brennkraftmaschinen in einem einzigen
Katalysatorbett.
Für eine lange Lebensdauer des Katalysators auch unter
den rauhen Einsatzbedingungen in einem Kraftfahrzeug
mit seinen starken mechanischen und ständig
wechselnden thermischen Belastungen ist eine gute
Haftung der Trägerschicht auf dem Katalysatorkörper
Voraussetzung. Im Falle einer Dispersionsbeschichtung
wird die Haftung der Schicht auf dem Katalysatorkörper
in der Regel um so besser, je feinteiliger die
Feststoffe der Beschichtungsdispersion sind. Stand der
Technik sind heutzutage Beschichtungsdispersionen mit
Korngrößen der Feststoffe im Bereich von 1 bis 15 µm.
Damit können auf den Katalysatorkörpern gut haftende
Trägerschichten von ca. 5 bis 200 µm Dicke aufgetragen
werden. Eine typische Beschichtungsdispersion dieser Art
wird in der DE-PS 25 38 706 beschrieben. Sie besteht aus
Aluminiumoxid und Ceroxid, wobei beide Komponenten
Korngrößen unter 3 µm aufweisen. Ein weiteres Beispiel
für solche konventionellen Beschichtungsdispersionen
liefert die EP 00 73 703 B1. Sie beschreibt
Beschichtungsdispersionen mit einer sehr engen
Korngrößenverteilung im Bereich zwischen 1 und 15 µm.
Zur Verbesserung der Haftung wird diesen Dispersionen
ein Binder aus Aluminiumoxid-Hydroxid (z. B. Böhmit,
Pseudoböhmit) oder Aluminiumhydroxid (z. B. Hydrargillit)
zugesetzt.
Die gestiegenen Anforderungen der gesetzlichen
Vorschriften machen eine weitere Verbesserung der
Katalysatoren notwendig.
Insbesondere ist eine deutliche
Verbesserung des Anspringverhaltens über die gesamte
Lebensdauer des Katalysators notwendig. Denn bei
betriebswarmem Katalysator sind wegen der schon heute
üblichen hohen Umsatzraten Verbesserungen nur noch
schwer zu erreichen.
Ebenso erfordert der schonende Umgang mit Ressourcen
eine optimale Ausnutzung der eingesetzten
Edelmetallmengen. Daher ist es wünschenswert,
Beschichtungen für Katalysatoren zu finden, die bei
gleichem Edelmetalleinsatz eine bessere Aktivität
zeigen als herkömmliche Katalysatoren.
Als Maßnahme zur Erhöhung der Umsetzungsraten im Falle
homogen imprägnierter Trägerschichten wird von der
EP 0 119 715 A2 vorgeschlagen, 1-20% der feinteiligen
Feststoffe der Beschichtungsdispersion durch
grobteiliges, inaktives Material von mindestens 44 µm
Korndurchmesser und mit einem relativ hohen Anteil von
Makroporen zu ersetzen. Bei diesem Lösungsvorschlag
werden die feinteiligen Feststoffe vor dem Ansetzen der
Beschichtungsdispersion mit den katalytisch aktiven
Edelmetallen imprägniert, während das grobteilige,
inerte Material unimprägniert bleibt. Die Aufgabe des
grobteiligen, inerten Materials besteht lediglich darin,
das zu reinigende Abgas über die Makroporen besser mit
den homogen über die Tiefe der Trägerschicht verteilten
Edelmetallkomponenten in Kontakt zu bringen.
Der Erfolg dieser Maßnahme ist im Hinblick auf die
Verbesserung des Anspringverhaltens fragwürdig, denn
die für die Abgasreinigung wertvollen,
hochoberflächigen Feststoffe werden teilweise durch
für den katalytischen Prozeß wertloses,
niederoberflächiges Material ersetzt.
Das grobteilige Material nimmt nicht direkt am
Abgasreinigungsprozeß teil und muß erst durch die sich
an den katalytisch aktiven Feststoffen abspielenden
exothermen Reaktionen erwärmt werden. Dadurch wird
insgesamt die Erwärmung des Katalysators auf
Betriebstemperatur verlangsamt und somit sein
Anspringverhalten verschlechtert.
Der Spielraum für die Verbesserung der katalytischen
Aktivität durch diese Erfindung ist nach oben begrenzt:
Einer Verbesserung der Abgasdiffusion in die Tiefe der
Trägerschicht bei steigendem Anteil des grobteiligen,
inaktiven Materials steht bei gleicher
Beschichtungsmenge eine Verminderung des katalytisch
aktiven, feinteiligen Materials entgegen. Der Anteil
des grobteiligen Materials an der Trägerschicht ist
offenbar deshalb auf maximal 20% beschränkt. Die Menge
des aktiven Aluminiumoxids im Katalysator könnte zwar
durch größere Schichtdicken wieder erhöht werden, das
würde jedoch zwangsläufig zu einer Erhöhung des
Abgasgegendrucks und somit zu einem Leistungsverlust des
Motors führen. Weiterhin würde wegen der größeren
Schichtstärke zusammen mit dem feinteiligen Material
auch Edelmetall in größeren Tiefen abgelagert und somit
für die gasförmigen Schadstoffe unzugänglicher, was die
Vorteile einer durch grobes Inertmaterial verbesserten
Abgasdiffusion wieder aufheben würde. Gemäß der
EP 0 119 715 A2 werden zur Herstellung des grobteiligen
Materials Ausschußkatalysatoren verwendet, die auf diese
Weise sinnvoll entsorgt werden sollen. Das erweist sich
in der Praxis aber als ungünstig, da die hochgebrannten
Katalysatorkörper aus Cordierit oder Korund wegen ihrer
hohen Abrasivität zum vorzeitigen Verschleiß von
Mahl- und Beschichtungswerkzeugen führen.
Außerdem neigen solche hochgebrannten, dichten
Materialien zum Absetzen in den
Beschichtungsdispersionen und führen schon bei geringen
Unterschieden in der Behandlung der
Beschichtungsdispersionen (ungleichmäßiges Rühren) zu
Viskositätsunterschieden und in der Folge zu
ungleichmäßigen Beschichtungsergebnissen. Aus diesen
Gründen hat sich das besprochene Verfahren in der
Praxis offenbar nicht durchgesetzt.
Es besteht somit weiterhin der Bedarf für einen Katalysator mit
insbesondere verbessertem Anspringverhalten, hohen
Umsetzungsraten im betriebswarmen Zustand und
guter Dauerstandsaktivität.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Katalysator für die
Reinigung der Abgase von Brennkraftmaschinen mit einem
wabenförmigen, inerten Keramik- oder Metallkörper und einer
darauf abgeschiedenen aktive Komponenten aus 0,01 bis 10 Gew.-%
Platin, Palladium und gegebenenfalls Rhodium
enthaltenden Dispersionsbeschichtung mit einem Gewichtsverhältnis
zwischen Platin und/oder Palladium und dem
gegebenenfalls anwesenden Rhodium von 1 : 1 bis 30 : 1
sowie einem Gewichtsverhältnis zwischen Platin und dem
gegebenenfalls anwesenden Palladium von 1 : 10 bis 10 : 1,
erhältlich durch Beschichten des Keramik- oder Metallkörpers
mit einer wäßrigen Beschichtungsdispersion mit
Aluminiumoxid als Feststoff sowie 3 bis 70 Gew.-% Ceroxid,
0 bis 25 Gew.-% Zirkonoxid, 0 bis 15 Gew.-% Nickeloxid, 0
bis 10 Gew.-% Eisenoxid, 0 bis 10 Gew.-% Germaniumoxid und
0 bis 10 Gew.-% Bariumoxid als Promotoren als Oxid oder in
Form von zu Oxiden zersetzlichen Vorstufen, wobei die
aktiven Komponenten der Beschichtungsdispersion vor der
Beschichtung des Keramik- oder Metallkörpers elementar oder
in Form ihrer Verbindungen zugesetzt werden oder erst nach
dem Trocknen der Dispersionsbeschichtung bei 250°C an der
Luft durch Imprägnieren mit einer wäßrigen Lösung eines
Salzes oder einer Mischung von Salzen der aktiven
Komponenten eingebracht werden, sowie Hitzebehandlung der
getrockneten Dispersionsbeschichtung gegebenenfalls in
einem wasserstoffhaltigen Gasstrom bei Temperaturen von 250
bis 650°C.
Der Katalysator ist dadurch gekennzeichnet, daß das Rhodium
auch durch Iridium ersetzt sein kann und daß die Feststoffe
der in einer Menge von 30 bis 400, bevorzugt 100 bis 300 g
Trockenmasse pro Liter Katalysatorvolumen verwendeten
Beschichtungsdispersion eine mehrmodale Korngrößenverteilung
mit mindestens einer fein- und grobteiligen
Kornfraktion aufweisen, wobei das Gewichtsverhältnis von
fein- zu grobteiliger Fraktion 20 : 1 bis 1 : 2,
vorzugsweise 12 : 1 bis 2 : 1, beträgt und die feinteilige
Kornfraktion ein Verteilungsmaximum zwischen 1 und 10 µm
sowie die grobe Kornfraktion mittlere Korndurchmesser
zwischen 20 und 100 µm besitzen.
Als strukturverstärkende Körper können Monolithe aus
Keramik oder Metall, aber auch glatte, gewellte,
perforierte und/oder geschlitzte Metallfolien
eingesetzt werden, die nachfolgend zu monolithischen
Trägerkörpern verformt werden. Perforierte
Metallrohre, wie sie speziell zur Abgasreinigung von
Zweitaktmotoren vorgeschlagen wurden, sind ebenfalls
verwendbar.
Durch die mehrmodale Korngrößenverteilung der
Feststoffe enthält die Trägerschicht auch sehr grobe
Kornfraktionen. Die gröberen Kornanteile verleihen der
Trägerschicht eine rauhe Oberfläche, die gegenüber der
glatten Oberfläche einer Trägerschicht üblicher
Katalysatoren aus einem einheitlich feinkörnigem
Material wesentlich vergrößert sein kann. Im Grenzfall
einer Trägerschicht mit einer Monolage dicht gepackter
Kugeln, deren Durchmesser dem doppelten der mittleren
Schichtdicke entspricht, ließe sich eine geometrische
Oberflächenvergrößerung gegenüber einer glatten
Schicht um den Faktor 1,9 erzielen.
Neben der reinen geometrischen Oberflächenvergrößerung
wurde bei der zur Herstellung des erfindungsgemäßen Katalysators
eingesetzten Beschichtungsdispersion
aber noch ein weiterer, positiver Effekt gefunden:
Bei den normalerweise vorliegenden Abmessungen der Strömungskanäle der Katalysatorkörper und den im Teillastbereich des Motors auftretenden Gasmengen strömen ist die Gasströmung in den Katalysatorkanälen laminar, abgesehen von einer Übergangszone von ca. 1 cm Länge hinter der Eintrittsfläche des Katalysators, in der die zunächst turbulente Strömung in eine laminare Strömung übergeht.
Bei den normalerweise vorliegenden Abmessungen der Strömungskanäle der Katalysatorkörper und den im Teillastbereich des Motors auftretenden Gasmengen strömen ist die Gasströmung in den Katalysatorkanälen laminar, abgesehen von einer Übergangszone von ca. 1 cm Länge hinter der Eintrittsfläche des Katalysators, in der die zunächst turbulente Strömung in eine laminare Strömung übergeht.
Die unter diesen Betriebsbedingungen maximal
erreichbaren Umsetzungsraten für die Schadstoffe
werden normalerweise nicht durch das
Aktivitätspotential der katalytischen Komponenten
begrenzt, sondern durch den Gastransport aus der
Gasströmung zu den beschichteten Kanalwänden. Wegen
der laminaren Strömungsform erfolgt dieser Transport
über einen relativ langsamen Diffusionsprozeß, so daß
das Aktivitätspotential der katalytisch aktiven
Komponenten nicht voll ausgeschöpft werden kann.
Die zur Herstellung des erfindungsgemäßen Katalysators eingesetzte Beschichtungsdispersion erweist
sich nun gerade unter diesen Betriebsbedingungen als
besonders vorteilhaft, da sie durch die rauhe
Oberfläche zu einer zusätzlichen Verwirbelung und
damit zu einem intensiveren Austausch zwischen Abgas
und Beschichtungsoberfläche führt. Das ist besonders
im Falle inhomogen imprägnierter Trägerschichten mit
der maximalen Edelmetallkonzentration in
oberflächennahen Schichtbereichen günstig.
Somit führt die eingesetzte Beschichtungs
dispersion zu zwei sich gegenseitig verstärkenden,
positiven Effekten, nämlich
- a) zu einer Vergrößerung der wirksamen geometrischen Katalysatoroberfläche und
- b) zu einer besseren Wechselwirkung zwischen Katalysatoroberfläche und Abgas durch Verwirbelung des Abgases in der Nähe der Oberfläche.
Diese beiden Effekte bewirken ein gegenüber dem Stand
der Technik verbessertes Anspringverhalten und einen
verbesserten Umsetzungsgrad der Schadstoffe bei
gleichem Edelmetalleinsatz, da das Aktivitätspotential
der Edelmetallkomponenten jetzt besser ausgenutzt
wird. Voraussetzung für die wirksame Nutzung dieser
positiven Effekte ist allerdings, daß alle
Kornfraktionen der Feststoffe der
Beschichtungsdispersion in einer aktiven, hochober
flächigen Form vorliegen, deren große spezifische
Oberfläche (BET-Oberfläche, zu bestimmen nach DIN
66 132) voll für die Aufnahme der katalytisch aktiven
Metallkomponenten zur Verfügung steht.
Die Oberflächenrauhigkeit des erfindungsgemäßen Katalysators
wird im wesentlichen von den
groben Kornanteilen der Feststoffe verursacht. Je
größer der mittlere Korndurchmesser der groben
Kornfraktion ist, um so größer ist auch die
Oberflächenrauhigkeit und damit das Ausmaß der
Abgasverwirbelung. Gleichzeitig steigt der Abgasgegen
druck mit zunehmender Oberflächenrauhigkeit leicht an.
Es wurde nun gefunden, daß die optimale
Oberflächenrauhigkeit vom Durchmesser der Abgaskanäle
der monolithischen Katalysatorkörper abhängt. Das
Verhältnis von Oberflächenrauhigkeit der Beschichtung,
gemessen als mittlere quadratische Rauhigkeit, zum
freien Kanaldurchmesser nach erfolgter Beschichtung
sollte im Bereich zwischen 0,02 bis 0,1 liegen. Dieser
empirisch gefundene Zusammenhang macht es notwendig,
die Dicke der Beschichtung und die mittlere Korngröße
der groben Kornanteile unter Berücksichtigung des
verbleibenden freien Kanaldurchmessers geeignet
aufeinander abzustimmen.
Bei Beschichtungsdicken von 20 bis 40 µm und
üblichen Kanaldurchmessern von 1 mm beträgt der mittlere
Korndurchmesser der groben Kornanteile der
Beschichtungsdispersion bei der Herstellung des erfindungsgemäßen
Katalysators 20 bis 100 µm. Bei
diesen Abmessungen führt die verstärkte Oberflächen
rauhigkeit der monolithischen Katalysatorkörper noch zu
keiner meßbaren Leistungseinbuße der Motoren infolge
leicht erhöhten Abgasgegendrucks.
Die vorteilhaften Wirkungen der zur Herstellung des erfindungsgemäßen Katalysators eingesetzten
Beschichtungsdispersion werden auch schon in sehr
einfacher Weise durch eine nur bimodale
Korngrößenverteilung aller Feststoffe der Dispersion
erzielt. Für die Abstimmung der Eigenschaften des
fertigen Katalysators an die Anwendungserfordernisse
ist es vorteilhaft, wenn einige der
Feststoffmaterialien oder alle jeweils nur einer
Kornfraktion der Dispersion angehören.
Zur Erzielung einer optimalen Oberflächenvergrößerung
der Trägerschicht und Verwirbelung des Abgases bei
gleichzeitig guter Haftfestigkeit der Trägerschicht auf
dem Katalysatorkörper liegt das Verteilungsmaximum
der feinteiligen Kornfraktion zwischen 1 und 10 µm.
Die Verwendung von extrem feinteiligen Stoffen
wie Solen, Gelen und Pseudoböhmiten ist ungünstiger, da
diese Stoffe die Poren der grobkörnigen Fraktion bzw.
die Poren zwischen den Körnern verkleben können und
somit aufgrund des erschwerten Stoffaustausches zu einer
unterlegenen katalytischen Aktivität führen. Das
Gewichtsverhältnis der feinteiligen Fraktion zur
grobteiligen Fraktion wird auf einen Wert zwischen
20 : 1 und 1 : 2 eingestellt. Als besonders
vorteilhaft haben sich Gewichtsverhältnisse zwischen
12 : 1 und 2 : 1 erwiesen.
Bei einem Gewichtsverhältnis von 1 : 2 wird unter
idealisierten Bedingungen die theoretisch maximal
mögliche Oberflächenvergrößerung der Beschichtung
erzielt. Es hat sich jedoch gezeigt, daß sich die
optimale Wirkung der erfinderischen Maßnahmen auf
Anspringverhalten und Aktivität des Katalysators schon
bei den oben angegebenen Gewichtsverhältnissen der
feinteiligen zur grobteiligen Fraktion von 12 : 1 bis
2 : 1 entfaltet. Offensichtlich erreicht die
Abgasverwirbelung schon bei diesen Gewichtsverhältnissen
ihr Maximum. Eine weitere Steigerung des Grobanteils
führt zwar zu einer nochmaligen Vergrößerung der
Oberfläche der Beschichtung, aber vermutlich zu einer
zunehmenden Abnahme der Abgasverwirbelung, die den
positiven Einfluß der Oberflächenvergrößerung zunichte
macht.
Für die Verwirbelung des Abgases ist es ausreichend,
wenn nur das hochoberflächige Trägermaterial eine
bimodale Korngrößenverteilung aufweist. Die Promotoren
können dagegen nur in der
feinteiligen Kornfraktion vorliegen.
In einer besonders günstigen Ausführungsform der verwendeten
Beschichtungsdispersion besteht das
temperaturbeständige Trägermaterial aus aktivem,
gegebenenfalls stabilisiertem, Aluminiumoxid mit einer
spezifischen BET-Oberfläche von 50 bis 350, vorzugsweise
100 bis 200 m2/g und weist ein Gesamtporenvolumen von
0,3 bis 2 ml/g auf, wobei das Gewichtsverhältnis von
feinteiliger zu grobteiliger Fraktion 18 : 1 bis 1 : 1,
vorzugsweise 12 : 1 bis 7 : 1, beträgt. Besonders
bewährt haben sich solche Materialien, deren
Gesamtporenvolumen etwa zu gleichen Teilen von Mesoporen
mit Porendurchmessern von 2 bis 50 nm und Makroporen mit
Porendurchmessern größer als 50 nm gebildet wird.
Beim Aufbringen der katalytisch aktiven Edelmetalle
können weitere katalytisch positive Effekte dadurch
erhalten werden, daß die grobe Partikelfraktion mit
ihren aus dem Untergrund herausragenden Körnern
bevorzugt ein Edelmetallsalz adsorbiert und dieses
dort anreichert. Auf diese einfache Weise kann eine
inhomogene Edelmetallzusammensetzung der
gaszugewandten Oberfläche der Beschichtung geschaffen
werden. Ein vergleichbarer, ebenfalls vorteilhafter
Effekt kann erreicht werden, indem die grobteilige
Komponente vorab mit einer Edelmetallkomponente belegt
und dem feinteiligen Feststoff beigemischt wird.
Eine bimodale
Beschichtungsdispersion wird dadurch hergestellt,
daß die Feststoffe zunächst in einer
Korngrößenverteilung vorliegen, die der grobteiligen
Fraktion der fertigen Beschichtungsdispersion entspricht,
und ein Teil davon naß zu der Korngrößenverteilung der
feinteiligen Fraktion vermahlen und anschließend das
Mahlgut mit der restlichen Menge der Feststoffe homogen
vermischt wird. Selbstverständlich ist es auch möglich,
fein- und grobteilige Feststoffe entsprechender
Korngröße ohne Mahlung zu vermischen. Jedoch kann ein
derartiges Vorgehen oft den Nachteil aufweisen, daß
die Haftung der Beschichtungsdispersion auf dem Körper
nicht ausreichend ist.
Insbesondere läßt sich eine Beschichtungsdispersion mit
aktivem Aluminiumoxid als Trägermaterial und Ceroxid,
Zirkonoxid, Nickeloxid, Eisenoxid, Germaniumoxid und
Bariumoxid als Promotoren dadurch
herstellen, daß ausgehend von einer Menge Aluminiumoxid,
deren Korngrößenverteilung der grobteiligen Fraktion der
fertigen Beschichtungsdispersion entspricht, die
erforderliche bimodale Verteilung dadurch erhalten wird,
daß ein Teil des Aluminiumoxids unter Zusatz der
gewünschten Mengen Ceroxid, Zirkonoxid, Nickeloxid,
Eisenoxid, Germaniumoxid, Bariumoxid und Wasser naß zu
der Korngrößenverteilung der feinteiligen Fraktion
vermahlen und anschließend das Mahlgut mit der
restlichen unvermahlenen Menge Aluminiumoxid homogen
vermischt wird.
Die eingesetzte Beschichtungs
dispersion besitzt auch die Fähigkeit, die Kanäle von
Katalysatorkörpern, insbesondere von solchen mit
unporösen Kanalwänden wie zum Beispiel Metallträger,
gleichmäßiger zu beschichten als herkömmliche
Beschichtungsdispersionen. Bei herkömmlichen
Beschichtungsdispersionen beobachtet man eine starke
Ansammlung des Schichtmaterials in den Kanalecken
durch die Oberflächenspannung der Dispersion. Durch
die groben Kornanteile ist dieser Effekt bei der zur Herstellung des
erfindungsgemäßen Katalysators eingesetzten Beschichtungsdispersion verringert.
Die Katalysatoraktivität und damit auch die Erwärmung
durch die exothermen Umsetzungsprozesse sind somit
gleichmäßiger auf den Querschnitt eines
Katalysatorkanals verteilt. Zusammen mit dem insgesamt
intensiveren Austausch des Abgases mit der
Katalysatoroberfläche in den Kanälen führt das zu
einer gleichmäßigeren Temperaturverteilung über den
ganzen Querschnitt des Katalysatorkörpers.
Sofern als Körper ein glattes, gewelltes, perforiertes
und/oder geschlitztes Metallblech eingesetzt wird,
kann der erfindungsgemäße Katalysator auch dadurch
erhalten werden, daß dieses zur Herstellung eines
monolithartigen Formkörpers durch nachträgliches
Verformen, Schneiden, Stapeln oder Aufwickeln verwendet
wird. Bei dieser Ausführung ist zwar
herstellungsbedingt nicht mit einer Anhäufung des
Schichtmaterials in den Kanalecken zu rechnen, jedoch
erweisen sich auch hier die groben Partikel der eingesetzten
Dispersion hinsichtlich der
Verwirbelung des Abgases als Vorteil. Zusätzlich
ergeben sich an den Kontaktstellen der beschichteten
Metallbleche Vorteile dadurch, daß die groben Partikel
sich verzahnen und ein Verschieben zweier Folien
gegeneinander erschweren.
Dieselben Vorteile wie bei der Beschichtung eines
unvorbehandelten Körpers werden erzielt, wenn die
mehrmodale Beschichtungsdispersion als Deckschicht auf
eine Zwischenschicht aus katalytisch neutralem
und/oder katalytisch aktivem feinteiligem Material
aufgebracht ist.
Als katalytisch neutral sind dabei Zwischenschichten
zu verstehen, die z. B. aus Gründen der
Haftungsverbesserung vor einer Dispersionsbeschichtung
aufgetragen werden (DE-OS 23 04 351). Bei besonderen
Ausführungsformen der Katalysatoren ist z. B. in der
DE-OS 38 35 184 vorgeschlagen, diese aus mehreren
übereinanderliegenden Schichten unterschiedlicher
Zusammensetzung aufzubauen. Bei einem derartigen
Katalysatoraufbau ist es zur Erzielung der inhärenten
Vorteile durchaus möglich und ausreichend, den
Katalysator lediglich mit einer Deckschicht der
mehrmodalen Beschichtungsdispersion
herzustellen.
Eine weitere Ausführungsform des Katalysators besteht
darin, auf eine Beschichtung, die mittels einer
mehrmodalen Beschichtungsdispersion erhalten wurde,
eine Deckschicht aus aktivem und/oder schützendem
feinteiligen Material aufzubringen. Im Falle dünner
Deckschichten können die Vorteile der eingesetzten
Dispersion nämlich auch dann
erhalten werden, wenn nur die untere Schicht die
erfindungsgemäße hohe Oberflächenrauhigkeit aufweist.
Die zu wählende Korngröße für den grobteiligen Anteil
orientiert sich dabei an der Dicke der aufzubringenden
Deckschicht.
Derartige, vergleichsweise dünne Deckschichten können
in Form katalytisch aktiven Materials bei
Katalysatoren mit schichtartigem Aufbau wie z. B. nach der
DE-OS 38 35 184 vorliegen. Ebenso können sie aus
katalytisch inertem, feinteiligen Material ausgeführt
sein und den Schutz der darunterliegenden
Katalysatorschicht z. B. gegen Katalysatorgifte
(DE-OS 31 46 004 und EP 0 179 578 A2) oder zum Fernhalten
unerwünschter Reaktionspartner dienen. Vorteilhaft
läßt sich eine untere Schicht aus der zur Herstellung des
erfindungsgemäßen Katalysators eingesetzten Beschichtungsdispersion auch
einsetzen, wenn es gilt, die Haftung der Deckschicht
über die Verankerung an rauhen Oberflächen zu
verbessern.
Die nachstehenden Figuren zeigen:
Fig. 1 Korngrößenverteilung einer
Beschichtungsdispersion nach dem Stand der
Technik entsprechend Vergleichsbeispiel 1.
Fig. 2 Korngrößenverteilung einer zur Herstellung des erfindungsgemäßen Katalysators
eingesetzten Beschichtungsdispersion entsprechend Beispiel 1.
Fig. 3 Schematische Darstellung eines Katalysatorquer
schnitts.
Fig. 4 Isothermen auf der Austrittsfläche der
Katalysatoren
a) gemäß Vergleichsbeispiel 1
b) gemäß Beispiel 1.
a) gemäß Vergleichsbeispiel 1
b) gemäß Beispiel 1.
Fig. 5 Temperaturverteilung über den Querschnitt am
Ausgang der erfindungsgemäßen Katalysatoren
von Beispiel 3a jeweils 1 Minute nachdem das
Abgas vor dem Katalysator die angegebenen
Temperaturen erreicht hat.
Fig. 6 Temperaturverteilung wie in Fig. 5 für die
erfindungsgemäßen Katalysatoren nach Beispiel
3b.
Fig. 7 Temperaturverteilung wie in Fig. 5 für die
Katalysatoren nach dem Stand der Technik gemäß
Vergleichsbeispiel 3.
Als Katalysatorkörper kamen Wabenkörper aus Cordierit
mit 102 mm Länge, 152 mm Durchmesser und 62 Kanälen pro
cm2 zum Einsatz. Die Wandstärken der Kanäle betrugen
0,16 mm.
Als Trägermaterialien für die
Beschichtungsdispersionen wurden zwei verschiedene
Aluminiumoxide, Aluminiumoxid A und Aluminiumoxid B, mit
folgenden Eigenschaften eingesetzt:
Entsprechend der obigen Aufstellung unterschieden sich
die beiden Trägermaterialien im wesentlichen durch
ihre Korngröße und ihre spezifische Oberfläche. Ihre
Porenradienverteilungen waren annähernd gleich. Bei
einem mittleren Korndurchmesser von 60 µm hatten 90%
der Teilchen von Aluminiumoxid A einen Durchmesser
größer als 3 µm und 10% der Teilchen einen Durchmesser
größer als 76 µm. Die entsprechenden Daten für
Aluminiumoxid B können aus obiger Aufstellung entnommen
werden. Bei beiden Aluminiumoxid-Qualitäten handelte es
sich um reines γ-Aluminiumoxid ohne Stabilisierungs
zusätze.
Als Promotoren kamen Ceroxid, Zirkonoxid, Eisenoxid und
Bariumoxid zum Einsatz, die teils als Feststoffe und
teils als lösliche Acetat- oder Nitratverbindungen der
Dispersion zugegeben wurden.
Die Katalysatorkörper wurden durch Eintauchen in die
Beschichtungsdispersion beschichtet. Die überflüssige
Dispersion wurde jeweils mit Druckluft ausgeblasen.
Anschließend wurden die Katalysatorkörper bei 250°C für
1 Stunde an der Luft getrocknet. Die so erhaltenen
Katalysatorvorstufen wurden dann mit einer wäßrigen
Lösung von Platintetramminnitrat und Rhodiumnitrat
imprägniert und nach einer 3stündigen Trocknung bei
300°C für die Dauer von 3 Stunden bei 600°C an der Luft
kalziniert. Zur Aktivierung wurden die Katalysatoren
abschließend bei 600°C für 2 Stunden im Wasserstoff
strom reduziert. Der Gehalt der Imprägnierlösung an
Platin und Rhodium wurde so gewählt, daß sich auf den
fertigen Katalysatoren ein Gewichtsverhältnis von Platin
zu Rhodium von etwa 5:1 einstellte.
Die Anwendungstests der fertig beschichteten
Katalysatorkörper erfolgten jeweils an einem Motor
prüfstand mit einem 1,8-l-Ottomotor (66 KW). Die
mit den Katalysatoren erzielbaren Schadstoff
konversionen wurden bei unterschiedlichen Luftzahlen
Lambda gemessen. Zur Simulation realer
Betriebsbedingungen wurde die Abgaszusammensetzung bei
vorgegebenen mittleren Luftzahlen durch periodische
Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (A/F)
moduliert. Dazu wurde entweder der
Abgasstrom mit Luftpulsen beaufschlagt oder die
KE-Jetronic entsprechend manipuliert.
Weiterhin wurden zur Überprüfung des Temperatur
austauschs zwischen Abgas und Katalysatorkörper
Aufnahmen der Austrittsfläche der Katalysatoren mit
einer Infrarotkamera gemacht. Diese Aufnahmen dienten
zur Bestimmung der Temperaturverteilung über den
Austrittsquerschnitt der Katalysatoren jeweils 1 Minute
nach Beaufschlagung der Katalysatoren mit Luft oder
Abgas einer vorgewählten Temperatur.
Abschließend wurden die Katalysatoren einer Untersuchung
unterworfen, um die Auswirkung der
erfinderischen Maßnahmen auf die Ergebnisse der
Abgasreinigung
zu bestimmen.
Die Abgasreinigung der Katalysatoren wurde jeweils im
frischen und im motorgealterten Zustand gemessen. Die
Motoralterung umfaßte zwei Betriebsphasen, die
periodisch bis zum Abschluß der Motoralterung
wiederholt wurden. Während der ersten 50 Minuten wurde
der Motor bei Vollast, d. h. bei 5600 U/min und 86 Nm
Last, betrieben.
Hierbei stellten sich ein Lambda-Wert (Luftzahl) von
0,993 und eine Abgastemperatur vor dem Katalysator von
1000°C ein. In der zweiten, nur zehnminütigen
Betriebsphase, wurde dem Abgasstrom bei gleichen
Motorbetriebsdaten Luft zugegeben. Die Luftzahl erhöhte
sich dadurch auf 1,04 und die Abgastemperatur stieg auf
1050°C an.
Zum Ansetzen der Dispersion wurden 3 l Wasser vorgelegt.
Zu diesem Wasser wurden nacheinander 30 g Zirkonoxid,
400 g Aluminiumoxid A und 400 g Ceroxid mit einer
spezifischen Oberfläche von 25 m²/g zugegeben. Die
mittlere Korngröße der Promotoren entsprach der von
Aluminiumoxid A. Die Dispersion wurde naß gemahlen, bis
eine Korngrößenverteilung mit einem Maximum der
Verteilung bei ca. 2,8 µm entsprechend der in Fig. 1
dargestellten Korngrößenverteilung erreicht war. Die
Korngrößenverteilung wurde mit einem Granulometer
vermessen. Sie entspricht der
Korngrößenverteilung wie sie für die Herstellung
herkömmlicher Katalysatoren verwendet wird. Nach diesem
Mahlvorgang wurden weitere 400 g unvermahlenes
Aluminiumoxid A zur Dispersion hinzugegeben und die
Dispersion homogenisiert. Die Korngrößenverteilung
dieser Beschichtungsdispersion hatte
den in Fig. 2 wiedergegebenen bimodalen Charakter.
Mit dieser Beschichtungsdispersion
wurden Katalysatorkörper beschichtet und anschließend
imprägniert und aktiviert. Die so hergestellten
Katalysatoren enthielten 123 g Beschichtung zusammengesetzt
aus 80 g γ-Aluminiumoxid, 40 g Ceroxid und 3 g
Zirkonoxid sowie 1,17 g Platin und 0,235 g Rhodium pro
Liter Wabenkörpervolumen.
Die Katalysatoren gemäß Beispiel 1 werden im folgenden
mit K1 bezeichnet.
Zum Vergleich der katalytischen Eigenschaften der
erfindungsgemäßen Katalysatoren von Beispiel 1,
insbesondere ihres Anspringverhaltens mit Katalysatoren
nach dem Stand der Technik wurden nach der in Beispiel
1 angegebenen Vorschrift Vergleichskatalysatoren
hergestellt. Im Unterschied zu Beispiel 1 wurde jedoch
die gesamte Menge γ-Aluminiumoxid von 800 g zusammen mit
den Promotoren zu der Korngrößenverteilung von Fig. 1
naß vermahlen.
Die Katalysatoren gemäß Vergleichsbeispiel 1 werden im
folgenden mit VK1 bezeichnet.
Zur Untersuchung der Oberflächenstruktur der
Trägerschichten der Katalysatoren von Beispiel 1 und
Vergleichsbeispiel 1 wurden die Katalysatorkörper in
Längsrichtung aufgeschnitten und die Kanalstege
mikroskopisch untersucht. Die mit der
Beschichtungsdispersion nach Beispiel 1 behandelten
Wabenkörper wiesen eine wesentlich rauhere Oberfläche
als die nach dem Stand der Technik beschichteten
Katalysatorkörper auf. Dieser Effekt war besonders
deutlich in den Stegmitten, wo sich infolge der
Oberflächenspannungen der Beschichtungsdispersion die
geringsten Schichtdicken ausbilden.
Rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen von
Querschnitten der Katalysatorkörper zeigten die in
Fig. 3 schematisch wiedergegebenen
Beschichtungsverhältnisse. Hierbei bezeichnet (1) die
Trägerschicht und (2) die Kanalwand aus Cordierit.
Aufgrund der Oberflächenspannung der
Beschichtungsdispersion sammelt sich in den Kanalecken
mehr Beschichtungsmaterial an als auf den Stegmitten.
Dieser Effekt ist bei der in Beispiel 1 eingesetzten
Beschichtungsdispersion geringer. Die mittleren
Schichtdicken auf den Stegmitten bei Verwendung der
Beschichtungsdispersion nach Beispiel
1 betrugen ca. 34 µm, während die Trägerschichten von
Vergleichsbeispiel 1 nur eine mittlere Schichtdicke auf
den Stegmitten von ca. 16 µm aufwiesen.
Zur Untersuchung des Anspringverhaltens der erfindungsgemäß
beschichteten Katalysatoren im frischen Zustand und
nach 20 h Alterung wurde die Umsetzung der
Schadstoffe (Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe,
Stickoxide) als Funktion der Abgastemperatur vor dem
Katalysator bestimmt. Die Bestimmung erfolgte jeweils
unter Gleichgewichtsbedingungen durch stufenweise
Anhebung der Abgastemperatur mittels eines
Wärmetauschers. Während dieser Versuche wurde der Motor
im Teillastbereich bei 3000 U/min und einer Last von
30 Nm betrieben, wodurch sich eine Belastung des
Katalysators mit einer Raumgeschwindigkeit von
60 000 h-1 ergab. Die Abgaszusammensetzung wurde im
unterstöchiometrischen Bereich (Lambda = 0,995) durch
periodisches Pulsen von Luft mit 1 Hz ± 0,5 A/F
variiert.
Die Umsetzung der Schadstoffe der betriebswarmen
Katalysatoren bei einer Abgastemperatur von 450°C vor dem
Katalysator wurde bei sonst gleichen Betriebs
bedingungen wie oben bei drei verschiedenen
Luftzahlen, nämlich 0,995; 0,999 und 1,008 ermittelt.
Die Ergebnisse der Untersuchungen sind in den Tabellen
1 und 2 zusammengefaßt. Tabelle 1 mit den Ergebnissen
der Anspringtests zeigt eine günstigere
Anspringtemperatur für die erfindungsgemäßen
Katalysatoren nach Beispiel 1.
Die größten Umsetzungs-Unterschiede zeigen sich jedoch
bei betriebswarmen Katalysatoren, d. h. bei
Betriebsverhältnissen, unter denen die Schadstoff
umsetzung durch Massetransport der Abgaskomponenten
aus der Gasphase zur Katalysatoroberfläche begrenzt
wird. Die Umsetzung aller Schadstoffkomponenten,
insbesondere aber die der Stickoxide, ist beim
erfindungsgemäßen Katalysator nach Beispiel 1 deutlich
besser als beim herkömmlichen Katalysator nach
Vergleichsbeispiel 1. Wie Tabelle 2 zeigt, trifft dies sowohl
für Katalysatoren im Frischzustand als auch nach
Alterung am Motor zu.
Die Beschichtungsdispersion mit der
bimodalen Korngrößenverteilung des Aluminiumoxids gemäß Beispiel 1 führt
aufgrund der rauhen Beschichtungsoberfläche zu einer
besseren Verwirbelung des Abgases und damit zu einer
besseren Wärmeübertragung vom Abgas auf die
Katalysatoroberfläche.
Zum Nachweis dieser Eigenschaften wurden mit den
Katalysatoren aus Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1
folgende Messungen durchgeführt.
Die Katalysatoren wurden in einen Konverter eingebaut,
der mit einem Konus mit einem Öffnungswinkel von 9°
versehen war. Dieser Konverter wurde an ein Luftgebläse
angebaut, welches mit einem Heizelement und einem
Durchflußmassenmesser ausgerüstet war. Der Luftdurchsatz
des Gebläses wurde auf 80 kg/h und die Solltemperatur
der Luft auf 320°C eingestellt. Die Heizung wurde
eingeschaltet und exakt nach einer Minute, nachdem die
Luft am Eintritt des Katalysators die Temperatur von
320°C erreicht hatte, wurde die Temperaturverteilung
der Austrittsstirnfläche des Katalysators mittels einer
Infrarotkamera aufgenommen. Fig. 4a und Fig. 4b zeigen
die daraus gewonnenen Isothermen über den Querschnitt
der Austrittsfläche. Beim erfindungsgemäßen Katalysator
von Beispiel 1, Fig. 4b, hat nach einer Minute ein
wesentlich größerer Teil der Stirnfläche die höchste
Temperatur erreicht als dies beim Katalysator gemäß
Vergleichsbeispiel 1, Fig. 4a, der Fall ist. Das
beweist, daß die Wärmeübertragung bei dem
erfindungsgemäßen Katalysator mit der rauhen
Oberflächenbeschichtung deutlich besser ist als bei
einem Katalysator nach dem Stand der Technik.
In Beispiel 1 wurde der Feinanteil der
Beschichtungsdispersion durch Vermahlen eines Teiles
des grobkörnigen Ausgangsmaterials (Aluminiumoxid A)
gewonnen. Grob- und Feinanteil hatten also in dieser
Beschichtungsdispersion die gleiche chemische
Zusammensetzung und, abgesehen von der Korngrößen
verteilung, auch im wesentlichen gleiche physikalische
Eigenschaften (spezifische Oberfläche, Porenvolumen).
In Beispiel 2 wurden nun zwei unterschiedliche
Aluminiumoxid-Qualitäten eingesetzt. Außerdem wurden
die Promotoren der Dispersion in Form von Salzlösungen
zugegeben.
Als Ausgangsmaterial für die feinteilige Fraktion der
Dispersion diente wieder Aluminiumoxid A wie in
Beispiel 1.
Zum Ansetzen der Dispersion wurden 3 Liter Wasser
vorgelegt. In diese Wassermenge wurden 850 g
Aluminiumoxid A eingerührt. Danach wurden nacheinander
Zirkonylacetat entsprechend 85 g Zirkonoxid, Ceracetat
entsprechend 167 g Ceroxid, Eisennitrat entsprechend
32 g Eisenoxid und schließlich Bariumacetat
entsprechend 50 g Bariumoxid zugegeben. Die Dispersion
wurde naß vermahlen bis eine Korngrößenverteilung mit
einem Maximum der Verteilung bei zirka 2,8 µm
entsprechend Fig. 1 erreicht war.
Nach diesem Mahlvorgang wurden 150 g Aluminiumoxid B
zugegeben. Die Beschichtungsdispersion wurde sorgfältig
homogenisiert. Anschließend wurden damit Katalysator
körper beschichtet. Diese Katalysatorvorstufen wurden,
wie schon beschrieben, getrocknet, mit Platin und Rhodium
imprägniert, kalziniert und zur Aktivierung reduziert.
Die fertigen Katalysatoren enthielten pro Liter
Wabenkörpervolumen 160 g Beschichtungsmaterial
zusammengesetzt aus 120 g γ-Aluminiumoxid, 20 g Ceroxid,
10 g Zirkonoxid, 5 g Eisenoxid und 5 g Bariumoxid, sowie
1,17 g Platin und 0,235 g Rhodium.
Die Katalysatoren gemäß Beispiel 2 werden im folgenden
mit K2 bezeichnet.
In 3 Liter Wasser wurden 850 g Aluminiumoxid A und
150 g Aluminiumoxid B eingerührt. Anschließend wurden
Zirkonylacetat entsprechend 85 g Zirkonoxid, Ceracetat
entsprechend 167 g Ceroxid, Eisennitrat entsprechend
32 g Eisenoxid und Bariumacetat entsprechend 50 g
Bariumoxid zugegeben. Die Dispersion wurde naß
vermahlen bis eine für alle Feststoffe einheitliche
Korngrößenverteilung entsprechend Fig. 1 erreicht war.
Mit dieser Beschichtungsdispersion wurde wieder ein
Katalysatorkörper, wie schon in Beispiel 1 beschrieben,
beschichtet. Die so hergestellte Katalysatorvorstufe
enthielt 160 g Beschichtungsdispersion pro Liter
Wabenkörpervolumen, wobei sich diese Menge
zusammensetzte aus 120 g γ-Aluminiumoxid, 20 g Ceroxid,
10 g Zirkonoxid, 5 g Eisenoxid und 5 g Bariumoxid.
Diese Katalysatorvorstufe wurde wie in Beispiel 2 mit
Platin und Rhodium belegt. Der fertige Katalysator
enthielt 1,17 g Platin und 0,235 g Rhodium pro Liter
Wabenkörpervolumen.
Die Katalysatoren gemäß Vergleichsbeispiel 2 werden im
folgenden mit VK2 bezeichnet.
Die Umsetzung von Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffen
und Stickoxiden durch die Katalysatoren von Beispiel 2
und Vergleichsbeispiel 2 wurde nach einer Alterung von
80 h bei Luftzahlen von 0,999, einer Abgastemperatur von
450°C und einer Raumgeschwindigkeit von 60 000 h-1
gemessen. Dabei wurde die Abgaszusammensetzung
periodisch mit 1 Hz ± 0,5 A/F und 1 Hz ± 1,0 A/F durch
Pulsen von Luft im Abgasstrom variiert. Die Ergebnisse
dieser Aktivitätsuntersuchungen sind in Tabelle 3 zusammengefaßt.
Aus Tabelle 3
ergibt sich, daß die erfindungsgemäßen Katalysatoren aus
Beispiel 2 eine deutlich bessere Umsetzung für alle
drei Schadstoffkomponenten, insbesondere für die
Umsetzung der Stickoxide zeigen als die Katalysatoren
aus Vergleichsbeispiel 2.
Zum Ansetzen der Dispersion wurden 3 l Wasser vorgelegt.
In diese Wassermenge wurden 850 g Aluminiumoxid A
eingerührt. Danach wurden nacheinander Zirkonylacetat
entsprechend 30 g Zirkonoxid und Ceracetat entsprechend
600 g Ceroxid zugegeben. Die Dispersion wurde naß
vermahlen bis eine Korngrößenverteilung mit einem
Maximum der Verteilung bei zirka 2,8 µm entsprechend
Fig. 1 erreicht war.
Nach diesem Mahlvorgang wurden 150 g Aluminiumoxid B
zugegeben. Die Beschichtungsdispersion wurde sorgfältig
homogenisiert. Anschließend wurden damit Katalysator
körper beschichtet. Diese Katalysatorvorstufen wurden
wie schon beschrieben getrocknet, imprägniert,
kalziniert und zur Aktivierung reduziert.
Die fertigen Katalysatoren enthielten pro Liter
Wabenkörpervolumen 163 g Beschichtungsmaterial
zusammengesetzt aus 100 g γ-Aluminiumoxid, 60 g Ceroxid,
3 g Zirkonoxid, 1,17 g Platin und 0,235 g Rhodium. Sie
werden im folgenden mit K3a bezeichnet.
Es wurde eine Beschichtungsdispersion analog zu
Beispiel 3a mit geänderten Gewichtsverhältnissen
zwischen Aluminiumoxid A und B angesetzt. Der Anteil
von Aluminiumoxid A betrug 700 g und der von
Aluminiumoxid B 300 g. Die mit dieser
Beschichtungsdispersion hergestellten Katalysatoren
enthielten also einen größeren Anteil vom groben
Aluminiumoxid B. Sie werden im folgenden mit K3b
bezeichnet.
Luftzahl: 0,999;
Abgastemperatur: 450°C; Raumgeschwindigkeit: 60 000 h-1; Alterung: 80 h.
Abgastemperatur: 450°C; Raumgeschwindigkeit: 60 000 h-1; Alterung: 80 h.
Die Auswertung dieser Aufnahmen ergab die
Temperaturverteilungen in Fig. 5 für die Katalysatoren
von Beispiel 3a, in Fig. 6 für die Katalysatoren von
Beispiel 3b und in Fig. 7 für die Katalysatoren nach
dem Stand der Technik von Vergleichsbeispiel 3. Tabelle
4 enthält die aus diesen Temperaturverteilungen
ermittelten Temperaturen auf der Austrittsfläche der
Katalysatoren für die Mitte und für 25, 50
beziehungsweise 75% des Radius der Katalysatoren.
Diese Ergebnisse zeigen in beeindruckender Weise, daß
der Keramikkörper sich mit zunehmendem Grobanteil i der Beschichtung
homogener und schneller aufheizt. Dieser
Effekt wird durch die bei der Schadstoffumsetzung
auftretende Exotherme deutlich verstärkt.
Die Katalysatoren aus Beispiel 3b und Vergleichs
beispiel 3 wurden an einem Fahrzeug (2,5 Liter, 6
Zylinder, Motronic) einer Abgasuntersuchung
unterworfen. Das Fahrzeug befand sich hierzu auf
einem Abgasrollenprüfstand.
Die Katalysatoren wurden sowohl im Frischzustand als auch
nach 60 stündiger Alterung am Motor untersucht. Die
Meßergebnisse sind in Tabelle 5 zusammengefaßt. Sie
zeigt die Schadstoffemissionen während der besonders
kritischen Kaltstartphase, in der die Aufheizkinetik
der Katalysatoren maßgeblich die Schadstoffumsetzung
beeinflußt.
Die Ergebnisse zeigen, daß die Umsetzung
von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen in
der kritischen Kaltstartphase durch die Katalysatoren
von Beispiel 3b besser ist als von Katalysatoren aus
dem Stand der Technik gemäß Vergleichsbeispiel 3.
Luftzahl: 0,995;
Raumgeschwindigkeit: 60 000 h-1;
Abgasmodulation: 1 Hz ± 0,5 A/F.
Raumgeschwindigkeit: 60 000 h-1;
Abgasmodulation: 1 Hz ± 0,5 A/F.
Claims (2)
1. Katalysator für die Reinigung der Abgase von
Brennkraftmaschinen mit einem wabenförmigen, inerten
Keramik- oder Metallkörper und einer darauf
abgeschiedenen aktive Komponenten aus 0,01 bis 10 Gew.-%
Platin, Palladium und gegebenenfalls Rhodium
enthaltenden Dispersionsbeschichtung mit einem
Gewichtsverhältnis zwischen Platin und/oder Palladium
und dem gegebenenfalls anwesenden Rhodium von 1 : 1 bis
30 : 1 sowie einem Gewichtsverhältnis zwischen Platin
und dem gegebenenfalls anwesenden Palladium von 1 : 10
bis 10 : 1, erhältlich durch Beschichten des Keramik-
oder Metallkörpers mit einer wäßrigen Beschichtungsdispersion
mit Aluminiumoxid als Feststoff sowie 3 bis
70 Gew.-% Ceroxid, 0 bis 25 Gew.-% Zirkonoxid, 0 bis 15 Gew.-%
Nickeloxid, 0 bis 10 Gew.-% Eisenoxid, 0 bis 10 Gew.-%
Germaniumoxid und 0 bis 10 Gew.-% Bariumoxid als
Promotoren als Oxid oder in Form von zu Oxiden
zersetzlichen Vorstufen, wobei die aktiven Komponenten
der Beschichtungsdispersion vor der Beschichtung des
Keramik- oder Metallkörpers elementar oder in Form
ihrer Verbindungen zugesetzt werden oder erst nach dem
Trocknen der Dispersionsbeschichtung bei 250°C an der
Luft durch Imprägnieren mit einer wäßrigen Lösung eines
Salzes oder einer Mischung von Salzen der aktiven
Komponenten eingebracht werden, sowie Hitzebehandlung
der getrockneten Dispersionsbeschichtung gegebenenfalls
in einem wasserstoffhaltigen Gasstrom bei Temperaturen
von 250 bis 650°C, dadurch gekennzeichnet,
daß das Rhodium auch durch Iridium ersetzt sein kann
und daß die Feststoffe der in einer Menge von 30 bis
400, bevorzugt 100 bis 300 g Trockenmasse pro Liter
Katalysatorvolumen verwendeten Beschichtungsdispersion
eine mehrmodale Korngrößenverteilung mit mindestens
einer fein- und grobteiligen Kornfraktion aufweisen,
wobei das Gewichtsverhältnis von fein- zu grobteiliger
Fraktion 20 : 1 bis 1 : 2, vorzugsweise 12 : 1 bis
2 : 1, beträgt und die feinteilige Kornfraktion ein
Verteilungsmaximum zwischen 1 und 10 µm sowie die grobe
Kornfraktion mittlere Korndurchmesser zwischen 20 und
100 µm besitzen.
2. Katalysator nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß alle Feststoffe der Beschichtungsdispersion eine
bimodale Korngrößenverteilung mit einer fein- und einer
grobteiligen Kornfraktion aufweisen.
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