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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Abgasreinigungskatalysator.
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Es
sind Abgasreinigungskatalysatoren bekannt, die zwei katalytische
Schichten umfassen, die in der Farm von Doppelschichten auf einem
Substrat gebildet sind, wobei eine erste der zwei katalytischen
Schichten mindestens ein Edelmetall, das aus einer Gruppe von Pt,
Rh und Pd ausgewählt
ist, das teilweise oder vollständig
auf Cerdioxid geträgert
ist, Ba und K enthält,
und eine zweite der zwei katalytischen Schichten mindestens ein
Edelmetall, das aus der Gruppe Pt, Rh und Pd ausgewählt ist,
jedoch kein K enthält.
Ein solcher Abgasreinigungskatalysator zeigt aufgrund der ersten
katalytischen Schicht ein erhöhtes
Vermögen
zur Absorption von NOx in einer Mageratmosphäre (was
sich auf eine Atmosphäre
bezieht, die verglichen mit einem Abgas, das durch die Verbrennung
eines stöchiometrischen
Luft-Brennstoff-Gemischs
erzeugt wird, einen Sauerstoffüberschuss
enthält)
und wirkt als Dreiwegekatalysator in einem Abgas, das durch die
Verbrennung eines stöchiometrischen
Luft-Brennstoff-Gemischs
erzeugt wird. In dem Abgasreinigungskatalysator wirken K und Na
als NOx-absorbierende Komponente und das
auf Cerdioxid geträgerte
Edelmetall wirkt als Beschleuniger für die NOx-Absorption.
Ein solcher Abgasreinigungskatalysator ist z.B. aus dem japanischen
ungeprüften
Patent mit der Veröffentlichungsnummer
8-281106 bekannt. Ein weiterer Typ eines Abgasreinigungskatalysators, der
z.B. aus dem japanischen ungeprüften
Patent mit der Veröffentlichungsnummer
9-85093 bekannt ist, umfasst eine Aluminiumoxidbeschichtungsschicht,
die mit einem Edelmetall wie z.B. Pt, das auf einem Substrat gebildet
ist, imprägniert
ist, wobei die Aluminiumoxidbeschichtungsschicht ferner mit K, Na
und Li imprägniert ist.
In dem Abgasreinigungskatalysator neigen K, Na und Li dazu, dass
sie eine Carbonatverbindung erzeugen, die den Abgasreinigungskatalysator
in einen instabilen Zustand versetzt, so dass dieser verbesserte
NOx-Absorptions- und -Desorptionseigenschaften
aufweist und eine schnellere Erholung von einer Vergiftung mit Schwefel
ermöglicht,
um eine hohe NOx-Umwandlungseffizienz zu
erreichen. Ein weiterer Typ eines Abgasreinigungskatalysators, der
z.B. aus dem japanischen ungeprüften
Patent mit der Veröffentlichungsnummer 10-151357
bekannt ist, umfasst eine untere Aluminiumoxidschicht, die auf einem
Wabensubstrat gebildet ist, und eine auf der unteren Schicht gebildete
obere Schicht. Die untere Schicht und die obere Schicht sind mit einem
Gemisch aus einer Lösung
eines NOx-Absorptionsmittels wie z.B. Ba, K und
Na und einer Lösung
eines Edelmetalls imprägniert
bzw. getränkt,
wodurch der Effekt einer Verbesserung der Dispergierbarkeit des
NOx und des Edelmetalls erhalten wird.
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Die
EP 0 852 966 A1 betrifft
einen Abgasreinigungskatalysator und ein Abgasreinigungsverfahren
zum Reinigen von Abgasen von einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs
oder dergleichen und insbesondere einen Abgasreinigungskatalysator
und ein Abgasreinigungsverfahren, die Stickstoffoxide (NO
x) durch Reduktion effizient aus einem Abgas
entfernen können,
das eine bezüglich
der Menge an Sauerstoff, die für
eine vollständige
Oxidation der reduzierenden Komponenten des Abgases, wie z.B. Kohlenmonoxid
(CO), Wasserstoffgas (H
2), Kohlenwasserstoffe
(HC) und dergleichen erforderlich ist, überschüssige Menge an Sauerstoff enthält.
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Die
EP 0 582 917 A1 betrifft
eine Abgasreinigungsvorrichtung für einen Motor.
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Die
DE 197 42 705 A1 betrifft
einen Katalysator zum Reinigen von Abgasen und insbesondere einen Katalysator,
der zum Reinigen bzw. Entfernen von Stickstoffoxiden (NO
x) in oder aus dem Abgas eines Fahrzeugmotors
geeignet ist.
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Die
EP 0 857 510 A1 betrifft
Stickstoffoxidfallen, die in dem Abgassystem eines Verbrennungsmotors eingesetzt
werden, um während
der Verbrennung im Magerbetrieb Stickstoffoxide zu absorbieren.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Abgasreinigungskatalysator
bereitzustellen, der eine verbesserte Beständigkeit gegen das Schwefelvergiftungsvermögen eines
NOx-Absorptionsmittels
wie z.B. Ba aufweist und zur Absorption von NOx in
einer Mageratmosphäre
angepasst ist (z.B. bei einem Abgas mit einer Sauerstoffkonzentration
von mehr als 4% z.B. aus der Verbrennung eines mageren Luft-Brennstoffgemischs bei
einem Luft-Brennstoff-Verhältnis im
Bereich von 16 bis 100), so dass dessen NOx-Umwandlungseffizienz erhöht wird.
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Um
die vorstehend genannte Aufgabe der vorliegenden Erfindung zu lösen, enthält ein erfindungsgemäßer Abgasreinigungskatalysator,
der im Anspruch 1 definiert ist, eine Kombination aus einer NOx-absorbierenden Komponente in Form von Ba
und einer K-Komponente oder Na-Komponente. In dem Abgasreinigungskatalysator
ist die K-Komponente oder die Na-Komponente so verteilt, dass sie
vor der NOx-absorbierenden Komponente einem
Abgas ausgesetzt ist. Während
es im Stand der Technik bekannt ist, dass K und Na eine Funktion
zum Absorbieren von NOx aufweisen, wird
der Abgasreinigungskatalysator unter Berücksichtung der Tatsache, dass
K und Na S absorbieren können,
so angepasst, dass die NOx-absorbierende Komponente
dadurch weniger mit S vergiftet wird, dass ein Kontakt der K-Komponente oder der
Na-Komponente mit einem Abgas vor dem Kontakt der NOx- Komponente mit dem
Abgas verursacht wird, so dass S in dem Abgas absorbiert wird. Obwohl
die K-Komponente oder die Na-Komponente als Ergebnis der Kalzinierung
während
der Herstellung des Abgasreinigungskatalysators in die Form eines
Carbonats umgewandelt wird, absorbiert sie beim Zusammentreffen
mit einer Schwefelkomponente in einem Abgas die Schwefelkomponente
und wird folglich in ein Sulfat wie z.B. K2SO4 oder Na2SO4 umgewandelt. Wenn jedoch der Sauerstoffgehalt
des Abgases sinkt, z.B. wenn ein stöchiometrisches Luft-Brennstoff-Verhältnis erreicht
wird, wird das Sulfat leicht zu einem Carbonat zersetzt. Insbesondere
in dem Fall einer Kombination einer NOx-absorbierenden
Komponente und K zeigt der Katalysator selbst dann, wenn er einem
Abgas mit hoher Temperatur ausgesetzt wird, eine hohe NOx-Umwandlungseffizienz und weist daher eine
vorteilhafte Verbesserung seiner Wärmebeständigkeit auf. Ba wird in der
vorliegenden Erfindung als NOx-absorbierende Komponente
verwendet. Darüber
hinaus kann eine Kombination aus Ba und einer anderen NOx-absorbierenden Komponente eingesetzt werden.
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Wenn
eine K-Komponente oder eine Na-Komponente in einem Abgasstrom stromaufwärts von
der NOx-absorbierenden Komponente angeordnet
wird, so dass die K-Komponente oder die Na-Komponente vor der NOx-absorbierenden Komponente dem Abgas ausgesetzt
wird, kann der Katalysator eine katalytische Schicht, die eine K-Komponente
oder eine Na-Komponente
enthält
(die als zweite katalytische Schicht bezeichnet wird), und eine
katalytische Schicht, die eine NOx-absorbierende
Komponente enthält
(die als erste katalytische Schicht bezeichnet wird), umfassen.
Die erste katalytische Schicht ist als untere katalytische Schicht
auf einem Substrat gebildet und die zweite katalytische Schicht
ist als obere katalytische Schicht über der ersten katalytischen
Schicht gebildet. In einem solchen Katalysator ist es bevorzugt,
dass die erste katalytische Schicht zusätzlich zu der NOx-absorbierenden
Komponente ein Edelmetall wie z.B. Pt oder Rh enthält. Das
Edelmetall wandelt einerseits NOx in einem
Abgas um, während
das Abgas einen höheren
Sauerstoffgehalt aufweist, und wandelt andererseits NOx um,
das von der NOx-absorbierenden Komponente
abgegeben wird, wenn das Abgas einen niedrigeren Sauerstoffgehalt
aufweist. Als Träger
des Edelmetalls kann Aluminiumoxid, vorzugsweise γ-Aluminiumoxid
und/oder Cerdioxid (CeO2) eingesetzt werden.
Da CeO2 ein Sauerstoffabsorptionsvermögen (O2-Speichereffekt) aufweist, führt es dann,
wenn der Motor bei etwa dem stöchiometrischen
Luft-Brennstoff-Verhältnis,
d.h. bei einem Luft-Überschussverhältnis, (von
etwa eins (1)) betrieben wird, dazu, dass der Katalysator als Dreiwegekatalysator
wirkt, so dass die Konzentrationen anderer Emissionen wie z.B. von
Kohlenwasserstoffen (HC) und Kohlenmonoxid (CO) zusätzlich zu
NOx effektiv vermindert werden.
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Die
zweite katalytische Schicht enthält
vorzugsweise Zeolith, auf dem zusätzlich zu einer K-Komponente oder einer
Na-Komponente eine Übergangsmetallkomponente
geträgert
ist. Das Übergangsmetall,
das auf dem Zeolith geträgert
ist, aktiviert NO und HC, so dass die NOx-Umwandlungseffizienz
des Katalysators erhöht
wird. D.h., NO in einem Abgas wird zu NO2 oxidiert,
das einfach durch die NOx-absorbierende
Komponente absorbiert wird, und HC wird durch eine partielle Oxidation
und durch Cracken aktiviert. Die aktivierten HC fördern eine
Reduktions-Zersetzungsreaktion von NOx.
Als Übergangsmetall
sind Edelmetalle, insbesondere Pt bevorzugt, und die Verwendung
von Pt zusammen mit Rh ist mehr bevorzugt. Als Zeolith ist ein MFI-Typ
bevorzugt.
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Die
K-Komponente oder die Na-Komponente kann nicht nur in die zweite
katalytische Schicht, sondern auch in die erste katalytische Schicht
einbezogen werden. In diesem Fall ist es bevorzugt, dass die zweite
katalytische Schicht eine höhere
Konzentration dieser Komponenten aufweist als die erste katalytische
Schicht. Dies ist darauf zurückzuführen, dass
sie die Menge an S, die in die erste katalytische Schicht diffundiert,
dadurch vermindern kann, dass S in dem Abgas zuerst in der K-Komponente
oder der Na-Komponente in der zweiten katalytischen Schicht über der
ersten katalytischen Schicht absorbiert wird, was verhindert, dass
eine Vergiftung des NOx-Absorptionsmittels
durch Schwefel in der ersten katalytischen Schicht verhindert wird.
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Der
erfindungsgemäße Abgasreinigungskatalysator,
der eine NOx-absorbierende Komponente und eine
K-Komponente oder eine Na-Komponente umfasst, wobei die K-Komponente
oder die Na-Komponente mit einem Abgas in Kontakt gebracht wird,
bevor die NOx-absorbierende Komponente mit dem Abgas
in Kontakt gebracht wird, kann die Vergiftung der NOx-absorbierenden
Komponente als Ergebnis der Absorption von S in dem Abgas durch
die K-Komponente oder die Na-Komponente steuern und hat den Vorteil,
dass dessen NOx-Umwandlungseffizienz erhöht wird.
Ferner trägt
eine Kombination der K-Komponente und der NOx-absorbierenden
Komponente zur Verbesserung der Wärmebeständigkeit des Abgasreinigungskatalysators
bei.
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Der
Katalysator kann durch die folgenden Schritte hergestellt werden:
Bilden einer Schicht, die Aluminiumoxid enthält, auf einem Trägermaterial;
Bilden einer Schicht, die Zeolith enthält, auf der Aluminiumoxid-enthaltenden
Schicht; Imprägnieren
bzw. Tränken
sowohl der Aluminiumoxid-enthaltenden Schicht als auch der Zeolith-enthaltenden
Schicht mit einer Lösung
eines Gemischs von entweder K oder Na und Barium (Ba) und dann Trocknen
und Kalzinieren der Schichten. Folglich kann der Katalysator, bei
dem in der Außenschicht,
d.h. der Zeo lith-enthaltenden Schicht, eine größere Menge an K oder Na als
in der unteren Schicht geträgert
ist, erhalten werden.
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Die
vorstehenden und andere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung
werden beim Lesen der folgenden Beschreibung bezüglich bevorzugter Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen
deutlich, worin
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1 eine
vergrößerte partielle
Schnittansicht ist, die eine Schichtstruktur eines erfindungsgemäßen Abgasreinigungskatalysators
zeigt, und
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2 ein
Graph ist, der die Beziehung zwischen der NOx-Umwandlungseffizienz
für Abgasreinigungskatalysatorproben
als Beispiele der Erfindung und Vergleichsabgasreinigungskatalysatoren
vor und nach der Schwefelvergiftungsbehandlung zeigt.
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Unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen, insbesondere auf die 1,
die einen Abgasreinigungskatalysator (der nachstehend aus Gründen der
Einfachheit als Katalysator bezeichnet wird) C zum Reinigen von Abgasen
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung zeigt, ist der Katalysator C in einer Abgasleitung
eines Magerverbrennungsmotors (nicht gezeigt) eines Kraftfahrzeugs
installiert, um das Emissionsniveau von umweltverschmutzenden Substanzen
wie z.B. Kohlenwasserstoffen (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Oxiden
von Stickstoff (NOx) von Abgasen zu vermindern,
während
der Magerverbrennungsmotor mit einem Luft-Brennstoff-Gemisch bei einem stöchiometrischen
Luft-Brennstoff-Verhältnis
betrieben wird, und um ferner das Emissionsniveau von NOx effektiv zu vermindern, während der
Magerverbrennungsmotor mit einem mageren Luft-Brennstoff-Gemisch
betrieben wird. D.h., dieser Katalysator C weist einen NOx-Umwandlungseffekt in einer Atmosphäre auf,
die als Ergebnis der Verbrennung eines mageren Luft-Brennstoff-Gemischs
bereitgestellt wird, wobei die Sauerstoffkonzentration der Atmosphäre zwischen
etwa 4 und 20% beträgt
und das Luft-Brennstoff-Verhältnis A/F
des mageren Luft-Brennstoff-Gemischs zwischen etwa 16 und 100 oder
18 und 100 liegt. Der Katalysator C umfasst z.B. ein aus Cordierit
hergestelltes wabenförmiges
Substrat 1, das eine überlegene Wärmebeständigkeit
aufweist, eine erste katalytische Schicht (eine untere katalytische
Schicht) 2, die auf dem wabenförmigen Substrat 1 gebildet
ist, und eine zweite katalytische Schicht (eine äußere katalytische Schicht) 3,
die über
der ersten katalytischen Schicht 2 gebildet ist.
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Die
erste katalytische Schicht 2 umfasst ein erstes Edelmetall
wie z.B. Pt und eine NOx-absorbierende Komponente wie z.B. Ba,
ein gepulvertes erstes Trägermaterial,
das beispielsweise aus einem Gemisch aus Aluminiumoxid und CeO2 hergestellt ist, auf dem das erste Edelmetall
und eine NOx-absorbierende Komponente geträgert sind,
ein Bindemittel zum Binden des gepulverten Trägermaterials und zum Halten
des gepulverten Trägermaterials
auf dem wabenförmigen
Substrat 1 und gegebenenfalls eine K-Komponente oder eine Na-Komponente.
Die zweite katalytische Schicht 3 umfasst ein zweites Edelmetall
wie z.B. Pt oder Rh, eine von einer K-Komponente und einer Na-Komponente,
ein gepulvertes zweites Trägermaterial,
wie z.B. Zeolith, auf dem das zweite Edelmetall und eine absorbierende
Komponente zum Absorbieren der K-Komponente und der Na-Komponente
geträgert
sind, ein Bindemittel zum Binden des gepulverten Trägermaterials
und zum Halten des gepulverten Trägermaterials auf dem wabenförmigen Substrat 1 und
gegebenenfalls eine NOx-absorbierende Komponente. Während Ba
vorwiegend als die NOx-absorbierende Komponente
verwendet wird, kann bzw. können
als NOx-absorbierende Komponente ein anderes
Erdalkalimetall, ein Alkalimetall oder ein Seltenerdelement oder
ansonsten mehr als eines von Elementen, die aus diesen Gruppen ausgewählt sind, verwendet
werden. Obwohl Cerdioxid verwendet werden kann, kann als CeO2 im Hinblick auf die Bereitstellung einer
höheren
Wärmebeständigkeit
ein Mischoxid verwendet werden, das aus einem Gemisch aus Cer und Zirkonium
hergestellt ist. Der Gehalt an Verunreinigungen beträgt in jeder
der ersten und der zweiten katalytischen Schicht 2 und 3 vorzugsweise
weniger als 1%.
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Der
Katalysator C wurde im Wesentlichen mit dem nachstehend beschriebenen
Verfahren hergestellt.
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Ein
Katalysatorpulver wurde durch Trägern
des zweiten Edelmetalls auf dem zweiten Trägermaterial unter Verwendung
eines Trocknungs-Verfestigungs-Verfahrens hergestellt. Eine Lösung eines
Gemischs wurde durch Mischen des ersten Edelmetalls, der NOx-absorbierenden
Komponente und einer von einer K-Komponente und einer Na-Komponente
getrennt hergestellt. Ferner wurde eine Aufschlämmung durch Mischen des ersten
Trägermaterials,
des Bindemittels und Wasser getrennt hergestellt. Das Aufschlämmungsgemisch wurde
mittels Washcoating auf ein wabenförmiges Substrat 1 aufgebracht
und dann zur Bildung der unteren katalytischen Schicht 2 getrocknet
und kalziniert. Andererseits wurde eine Aufschlämmung, die durch Mischen des
Katalysatorpulvers, eines Bindemittels und Wasser hergestellt worden
ist, mittels Washcoating auf die untere katalytische Schicht 2 auf
dem wabenförmigen
Substrat 1 aufgebracht und dann zur Bildung einer oberen katalytischen
Schicht 3 getrocknet und kalziniert. Anschließend an
das Verfahren wurden die untere und die obere katalytische Schicht
mit der Mischlösung,
die das erste Edelmetall, die NOx-absorbierende Komponente und
eine von einer K-Komponente und einer Na-Komponente enthielt, imprägniert bzw.
getränkt,
und dann getrocknet und kalziniert.
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Bewertung des Katalysators
I (Beständigkeit
gegen eine Vergiftung mit Schwefel)
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Um
den Katalysator im Zusammenhang mit der Beständigkeit gegen eine Vergiftung
mit Schwefel zu bewerten, wurden die folgenden sechs verschiedenen
Katalysatoren, nämlich
die Vergleichskatalysatoren CC-I bis CC-III und die Katalysatorproben
EC-IV bis EC-VI als Beispiele der Erfindung, hergestellt.
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Die
Verfahren zur Herstellung dieser Vergleichskatalysatoren und Katalysatorproben
waren identisch, mit der Ausnahme, dass als letzte Verfahrensstufe
eine imprägnierte
Lösung
verwendet wurde.
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Herstellung eines Pt-Rh/MFI-Katalysatorpulvers
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Eine
Pt-Dinitrodiaminlösung
wurde derart mit einer Rhodiumnitratlösung gemischt, dass das Gewichtsverhältnis von
Pt zu Rh 75:1 betrug. Diese Pt-Rh-Mischlösung und MFI-Zeolith (SiO2/Al2O3 =
80) wurden gemischt, um eine Pt-Rh/MFI-Mischlösung bereitzustellen. Diese
Pt-Rh/MFI-Mischlösung
wurde versprüht
und getrocknet, so dass sie verfestigt wurde, und dann weiter eine
Stunde bei einer Temperatur zwischen etwa 100 und 200°C getrocknet
und zwei Stunden bei einer Temperatur zwischen etwa 500 und 600°C kalziniert,
um ein Pt-Rh/MFI-Katalysatorpulver
herzustellen. Pt und Rh stellen bis zu 2,3 Gew.-% des MFI-Katalysatorpulvers
bereit.
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Herstellung
der Imprägnierlösung
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Eine
Imprägnierlösung für den Vergleichskatalysator
CC-I wurde durch Mischen einer Pt-Dinitrodiaminlösung, einer Rhodiumnitratlösung und
einer Bariumacetatlösung
derart, dass der Pt-Gesamtgehalt (was sich nachstehend auf eine
Gesamtmenge von Pt von der Imprägnierlösung und
des Pt-Rh/MFI-Katalysatorpulvers bezieht) 6,5 g/L, der Rh-Gesamtgehalt
(was sich nachstehend auf eine Gesamtmenge von Rh von der Imprägnierlösung und
des Pt-Rh/MFI-Katalysatorpulvers
bezieht) 0,1 g/L und der Ba-Gehalt 30 g/L betrugen, hergestellt.
In diesem Fall bedeutet die hier verwendete Einheit "g/L" Gramm Gewicht einer
Komponente pro 1 Liter des wabenförmigen Substrats 1,
auf dem jede Komponente geträgert
ist.
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Eine
Imprägnierlösung für den Vergleichskatalysator
CC-II wurde durch Mischen einer Pt-Dinitrodiaminlösung, einer Rhodiumnitratlösung und
einer Bariumacetatlösung
derart, dass der Pt-Gesamtgehalt, der Rh-Gesamtgehalt und der Ba-Gehalt
6,5 g/L, 0,1 g/L bzw. 60 g/L betrugen, hergestellt.
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Eine
Imprägnierlösung für den Vergleichskatalysator
CC-III wurde durch Mischen einer Pt-Dinitrodiaminlösung, einer Rhodiumnitratlösung, einer
Bariumacetatlösung
und einer Strontiumacetatlösung
derart, dass der Pt-Gesamtgehalt, der Rh-Gesamtgehalt, der Ba-Gehalt
und der Sr-Gehalt 6,5 g/L, 0,1 g/L, 30 g/L bzw. 30 g/L betrugen,
hergestellt.
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Eine
Imprägnierlösung für die Katalysatorprobe
EC-IV wurde durch Mischen einer Pt-Dinitrodiaminlösung, einer Rhodiumnitratlösung, einer
Bariumacetatlösung
und einer Natriumacetatlösung
derart, dass der Pt-Gesamtgehalt, der Rh-Gesamtgehalt, der Ba-Gehalt
und der Na-Gehalt 6,5 g/L, 0,1 g/L, 30 g/L bzw. 30 g/L betrugen,
hergestellt.
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Eine
Imprägnierlösung für die Katalysatorprobe
EC-V wurde durch Mischen einer Pt-Dinitrodiaminlösung, einer Rhodiumnitratlösung, einer
Bariumacetatlösung
und einer Kaliumacetatlösung
derart, dass der Pt-Gesamtgehalt, der Rh-Gesamtgehalt, der Ba-Gehalt
und der K-Gehalt 6,5 g/L, 0,1 g/L, 30 g/L bzw. 30 g/L betrugen,
hergestellt.
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Eine
Imprägnierlösung für die Katalysatorprobe
EC-VI wurde durch Mischen einer Pt-Dinitrodiaminlösung, einer Rhodiumnitratlösung, einer
Bariumacetatlösung
und einer Lithiumacetatlösung
derart, dass der Pt-Gesamtgehalt, der Rh-Gesamtgehalt, der Ba-Gehalt
und der Li-Gehalt 6,5 g/L, 0,1 g/L, 30 g/L bzw. 30 g/L betrugen,
hergestellt.
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Bildung der
unteren Beschichtungsschicht
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Ein
erstes Gemisch wurde durch Mischen von γ-Aluminiumoxid und CeO2 in einem Gewichtsverhältnis von 1:1 hergestellt und
ein zweites Gemisch wurde anschließend durch Mischen dieses ersten
Gemischs und eines Aluminiumoxid-Bindemittels in einem Gewichtsverhältnis von
5:1 hergestellt. Ferner wurde eine Aufschlämmung durch Zusetzen von ionenausgetauschtem
Wasser zu dem zweiten Gemisch hergestellt. Ein wabenförmiges Substrat 1,
dessen Volumen und Dichte 25 ml und 420 g pro 1 Liter des wabenförmigen Substrats 1 betrugen,
wurde in das zweite Aufschlämmungsgemisch
eingetaucht, entnommen und nach dem Abblasen eines Überschusses
des zweiten Aufschlämmungsgemischs
getrocknet und anschließend
kalziniert. In einem solchen Washcoating-Verfahren wurde auf dem
wabenförmigen
Substrat 1 eine untere Beschichtungsschicht derart gebildet,
dass das Gewicht der unteren Beschichtungsschicht nach dem Trocknen
315 g/L betrug (was 75 Gew.-% des wabenförmigen Substrats waren).
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Bildung der äußeren Beschichtungsschicht
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Eine
Aufschlämmung
wurde durch Mischen des hergestellten Pt-Rh/MFI-Katalysatorpulvers
und eines Aluminiumoxid-Bindemittels in einem Gewichtsverhältnis von
5:1 und dann Zusetzen von ionenausgetauschtem Wasser zu dem Gemisch
hergestellt. Das Aufschlämmungsgemisch
wurde dann mittels Washcoating über der
auf dem wabenförmigen
Substrat 1 gebildeten unteren Beschichtungsschicht aufgebracht
und dann getrocknet und kalziniert, um eine obere Beschichtungsschicht
derart zu bilden, dass das Gewicht der oberen Beschichtungsschicht
nach dem Trocknen 21 g/L betrug (was 5 Gew.-% des wabenförmigen Substrats
waren).
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Die
Imprägnierlösungen,
die für
die Vergleichskatalysatoren bzw. die Katalysatorproben hergestellt worden
sind, wurden in die unteren und oberen Beschichtungsschichten der
Vergleichskatalysatoren und Katalysatorproben CC-I bis CC-III bzw.
EC-IV bis EC-VI imprägniert.
Diese Vergleichskatalysatoren und Katalysatorproben CC-I bis CC-III
und EC-IV bis EC-VI wurden durch Trocknen und Kalzinieren fertiggestellt.
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Jeder)
der Vergleichskatalysatoren und Katalysatorproben wies etwa 131
g/L γ-Aluminiumoxid,
etwa 131 g/L CeO2 und etwa 17,5 g/L MFI-Zeolith
auf. Die Mengen der Edelmetalle und Ba, die auf den Katalysatoren
vorlagen, sind vorstehend beschrieben worden.
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Bewertung des Katalysators
I
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Zur
Bewertung der Leistung der jeweiligen Katalysatoren wurde jeder
frische Katalysator vor jeglicher Wärmealterung und/oder Vergiftung
mit Schwefel zum Testen auf einem Festbett-Gasströmungsreaktor montiert. Zu Beginn
wurde ein simuliertes Gas, das zu einem Abgas äquivalent war, das als Folge
einer Verbrennung eines mageren Luft-Brennstoff-Gemischs erhalten
wird, in den Festbett-Gasströmungsreaktor
strömen gelassen,
bis die NOx-Umwandlungseffizienz stabil wurde. Anschließend wurde
die Zusammensetzung des simulierten Gases geändert, so dass es einem Abgas äquivalent
war, das als Ergebnis der Verbrennung eines fetten Luft-Brennstoff-Gemischs
erzeugt wird, und dann wurde die Zusammensetzung wieder zu der ursprünglichen
Gaszusammensetzung geändert,
die aus der Verbrennung eines mageren Luft-Brennstoff-Gemischs resultiert.
Messungen der NOx-Umwandlungseffizienz wurden 130 s ausgehend
von einem Zeitpunkt durchgeführt,
an dem die Gaszusammensetzung gewechselt wurde, um die Leistung
des Katalysators bei der Verbrennung eines mageren Luft-Brennstoff-Gemischs
zu bewerten (was nachstehend als Mager-NOx-Umwandlungseffizienz
bezeichnet wird). Die Temperatur sowohl des getesteten Katalysators
als auch des simulierten Abgases betrug 350°C und die Raumgeschwindigkeit des
simulierten Abgases während
der Tests betrug 55000 Stunde–1. Die simulierten Gaszusammensetzungen
sind in der Tabelle 1 gezeigt.
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Die
jeweiligen Vergleichskatalysatoren und Katalysatorproben wurden
mittels SO2-Vergiftung behandelt, bei welcher
der Katalysator 30 min bei einer Temperatur von 350°C einem Gas,
das aus 50 ppm SO2, 20% O2 und
Rest N2 bestand, ausgesetzt wurde, das mit
einer Raumgeschwindigkeit von 55000 Stunde–1 strömte (was
nachstehend als Schwefelvergiftungsbehandlung bezeichnet wird),
und dann bezüglich
der Messung der NOx-Umwandlungseffizienz
in der gleichen Weise getestet, wie es vorstehend beschrieben worden
ist. Das Ergebnis der Tests für
die frischen Katalysatoren CC-I bis CC-III und EC-IV bis EC-VI vor
und nach der Schwefelvergiftungsbehandlung ist in der 2 gezeigt.
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Wie
es aus der 2 ersichtlich ist, zeigen die
Katalysatorprobe EC-VI, die mit Na imprägniert worden ist, und die
Katalysatorprobe EC-V, die mit K imprägniert worden ist, verglichen
mit vor der Schwefelvergiftungsbehandlung nach der Schwefelvergiftungsbehandlung
eine Abnahme der NOx-Umwandlungseffizienz von
nur 2 bis 3%. Dies zeigt, dass die Imprägnierung mit Na oder K zur
Verbesserung der Beständigkeit
gegen eine Vergiftung mit Schwefel sehr effektiv ist.
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Zur
Analyse der Funktion von Na und K in den Vergleichskatalysatoren
CC-II und III und den Katalysatorproben EC-IV bis EC-VI wurden der
Gesamtgehalt an S des gesamten Katalysators nach der S-Vergiftungsbehandlung
in Massen-%, das Volumenverhältnis
(%) von CO3 zu Ba und das Volumenverhältnis (%)
von SO4 zu Ba auf der Katalysatoroberfläche (der
Oberfläche
der äußeren Beschichtungsschicht
des Katalysators) mittels XPS und das Volumenverhältnis des
Zusatzelements X (Sr, Na, K und Li) zu Ba in der zweiten katalytischen
Schicht (der äußeren Beschichtungsschicht)
gemessen und vorliegende Kristalle wurden mittels Röntgenbeugung
untersucht. Das Ergebnis der Messungen und der Untersuchung ist
in der Tabelle II gezeigt, in der trotz der Tatsache, dass der Vergleichskatalysator
CC-II einen Ba- Gehalt
von 60 g/L, jedoch kein vorstehend genanntes Zusatzelement X enthält, Ba aus
Gründen
der Zweckmäßigkeit
als Zusatzelement angegeben ist.
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Aus
der Tabelle II ist ersichtlich, dass zwischen den Katalysatoren
nahezu kein Unterschied beim S-Gesamtgehalt vorliegt. Mit anderen
Worten: Alle Katalysatoren weisen eine S-Absorption auf dem gleichen Niveau auf.
Bezüglich
CO3/Ba weisen die Katalysatorproben EC-IV
und EC-V einen höheren
Wert auf als andere. Die Reihenfolge der zusätzlichen Elemente mit abnehmendem
Wert von CO3/Ba ist wie folgt: Na > K > Sr > Li > Ba. Da angenommen
wird, dass das NOx-Absorptionsvermögen von
der BaCO3-Menge auf der Katalysatoroberfläche abhängt, kann
gesagt werden, dass die Katalysatorprobe EC-IV, die Na als ein Zusatzelement
aufweist, und die Katalysatorprobe EC-V, die K als ein Zusatzelement
aufweist, nach der Schwefelvergiftungsbehandlung ein höheres NOx-Absorptionsvermögen aufweisen als die Vergleichskatalysatoren
CC-II und CC-III. Es wird angenommen, dass dieses Ergebnis darauf
zurückzuführen ist,
dass Na2CO3 oder
K2CO3 auf der Katalysatoroberfläche eine
S-Komponente in dem Abgas absorbiert und in Na2SO4 bzw. K2SO4 umgewandelt wird, was durch die Menge an
S, die von Na2CO3 oder
K2CO3 verbraucht
worden ist, zur Verhinderung einer Schwefelvergiftung von BaCO3 führt.
Die Katalysatorproben EC-IV und EC-V weisen höhere X/Ba-Werte auf. Es scheint,
dass Na oder K zur Katalysatoroberfläche ausgeschieden wird, in
die S in dem Abgas absorbiert wird, so dass die Menge von Ba, die
mit S vergiftet ist, vermindert wird.
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Bezüglich des
Verhältnisses
von SO4/Ba weist die Katalysatorprobe EC-V
einen signifikant höheren Wert
auf als der Vergleichskatalysator CC-II. Es wird angenommen, dass
dies darauf zurückzuführen ist,
dass der Wert der Katalysatorprobe EC-V SO4 von
K2SO4 umfasst, das
durch Absorption von SO4 in K auf der Katalysatoroberfläche gebildet
wird. Ein höherer
Wert von CO3/Ba der Katalysatorprobe EC-V
stützt
diese Annahme.
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Bezüglich der
Katalysatorprobe EC-IV ist deren SO4/Ba-Wert
niedrig und K2SO4 wird
durch Röntgenbeugung
nicht nachgewiesen. Es wird angenommen, dass dies nicht darauf zurückzuführen ist,
dass die S-Komponente in dem Abgas nicht in Na absorbiert wird,
sondern dar auf, dass die S-Komponente in das Innere des Katalysators
diffundiert und von dem darin vorliegenden Na absorbiert wird, was
eine niedrige Oberflächenkonzentration
von K2SO4 verursacht.
Ein signifikant höherer
Wert von CO3/Ba der Katalysatorprobe EC-IV
stützt
diese Annahme.
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Bewertung
des Katalysators II
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Um
den Einfluss des Ba- und K-Gehalts auf die Beständigkeit gegen eine Schwefelvergiftung
zu bewerten, wurde ein Untersuchungstest durch Messen der NOx-Umwandlungseffizienz und der Verschlechterungsrate
durchgeführt
und das Ergebnis ist in der Tabelle III gezeigt. Die Katalysatorprobe
EC-IV mit einem Zusatzelement Na weist ebenso wie die Katalysatorprobe
EC-V mit einem Zusatzelement K eine höhere Beständigkeit gegen eine Schwefelvergiftung
auf. Wenn jedoch berücksichtigt
wird, dass Na nicht so wärmebeständig ist,
ist die Katalysatorprobe EC-V besser geeignet. Ferner wurde mit
der Katalysatorprobe EC-V durch Variieren des Gehalts an Ba und
K bezüglich
der Beständigkeitsleistung
gegen eine Schwefelvergiftung ein Untersuchungstest durchgeführt. Der
Gehalt an Ba und K ist in der Tabelle III gezeigt und die Messungen
der NOx-Umwandlungseffizienz und die S-Vergiftungsbehandlung
waren die gleichen wie in dem vorhergehenden Test bezüglich der
Bewertung des Katalysators I. Auch die Arten und Mengen von Trägermaterialien
und die Arten und Mengen von katalytischen Metallen, die in dem
Test verwendet wurden, waren die gleichen wie bei der Katalysatorprobe
EC-V, die vorstehend erläutert
worden ist. Das Ergebnis des Tests ist in der Tabelle III gezeigt.
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Aus
der Tabelle III ist ersichtlich, dass der Ba-Gehalt keinen signifikanten
Effekt auf die NOx-Umwandlungseffizienz des Katalysators
nach der S-Vergiftungsbehandlung hat, und zwar weder bei 15 g/L
noch bei 30 g/L, jedoch zeigt der K-Gehalt eine höhere NOx-Umwandlungseffizienz
des Katalysators nach der S-Vergiftungsbehandlung, wenn der K-Gehalt 30 g/L beträgt, als
dann, wenn der K-Gehalt 15 g/L beträgt, und dass die Verschlechterungsrate
den Effekt durch den K-Gehalt zeigt.
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Bewertung
des Katalysators III
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Um
den Einfluss des Ba- und K-Gehalts auf die Wärmebeständigkeit zu untersuchen, wurde
ein Untersuchungstest mit der Katalysatorprobe EC-V durch Messen
der NOx-Umwandlungseffizienz
unter Variieren des Ba- und K-Gehalts durchgeführt und das Ergebnis ist in
der Tabelle IV gezeigt. Der Ba- und K-Gehalt wurde gemäß der Tabelle
IV variiert und die Art der Messung der NOx-Umwandlungseffizienz
war mit derjenigen in dem Test für
die vorhergehende Bewertung des Katalysators identisch. Auch die
Arten und Mengen von Trägermaterialien
und die Arten und Mengen von katalytischen Metallen, die in der
Katalysatorprobe verwendet wurden, waren mit denjenigen der Katalysatorprobe
EC-V identisch, die in dem vorhergehenden Test verwendet wurden.
Eine Wärmebehandlung
(Ofenalterung) wurde durchgeführt,
um die Wärmebeständigkeit
unter der Bedingung zu bewerten, dass die frische Katalysatorprobe
EC-V 24 Stunden bei einer Temperatur von 900°C einer Ofenalterung unterworfen
wurde.
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Die
Tabelle IV zeigt, dass der Katalysator eine gute Wärmebeständigkeit
erhält,
wenn der Ba-Gehalt etwa mit dem K-Gehalt übereinstimmt. Bezüglich der
Molzahl wird ein Katalysator mit guter Wärmebeständigkeit erhalten, wenn die
Molzahl von K 3- bis 4-Mal so groß ist wie diejenige von Ba.
Wenn der Ba-Gehalt Null ist, erhält
der Katalysator selbst dann keine gute Wärmebeständigkeit, wenn der Katalysator
einen relativ hohen K-Gehalt aufweist.
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Bewertung
des Katalysators IV
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Um
den Einfluss von Edelmetallen auf die Wärmebeständigkeit zu bewerten, wurde
ein Untersuchungstest durch Messen der NO
x-Umwandlungseffizienz
durchgeführt.
Der Edelmetallgehalt der in dem Test verwendeten Katalysatorprobe
EC-V, die Ba und K enthielt, und der in dem Test verwendeten Vergleichskatalysatoren,
die Ba enthielten, war wie folgt:
Katalysatorprobe
A: | Pt-Gesamtgehalt
6,5 g/L
Rh-Gesamtgehalt 0 |
Katalysatorprobe
B: | Pt-Gesamtgehalt
3,5 g/L
Rh-Gesamtgehalt 0 |
Katalysatorprobe
C: | Pt-Gesamtgehalt
6,5 g/L
Rh-Gesamtgehalt 0,1 g/L |
Vergleichskatalysator
D: | Pt-Gesamtgehalt
6,5 g/L
Rh-Gesamtgehalt 0 |
Vergleichskatalysator
E: | Pt-Gesamtgehalt
3,5 g/L
Rh-Gesamtgehalt 0 |
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Die
Messung der NOx-Umwandlungseffizienz und
die Wärmealterungsbedingungen
waren mit denjenigen in dem vorhergehenden Test für die Bewertung
des Katalysators II, mit der Ausnahme der Raumgeschwindigkeit des
simulierten Abgases, die 25000 Stunde–1 betrug,
und der Temperatur des simulierten Gases, die 350 und 400°C betrug,
identisch. Das Ergebnis des Tests ist in der Tabelle V gezeigt.
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Die
Tabelle V zeigt, dass nach dem Wärmealtern
nahezu kein Unterschied zwischen den frischen Katalysatoren vorliegt,
dass jedoch nach der Wärmealterung
ein Unterschied zwischen diesen vorliegt. Abgesehen von dem Fall
der Vergleichskatalysatoren zeigte der Katalysator mit 6,5 g/L Pt
offensichtlich eine höhere NOx-Umwandlungseffizienz als der Katalysator
mit 3,5 g/L Pt, und die Katalysatorproben zeigten nahezu keinen
Unterschied bei der NOx- Umwandlungseffizienz zwischen Einlasstemperaturen
von 350 und 400°C,
während
die getesteten Katalysatoren keinen Unterschied bei der NOx-Konversionseffizienz aufwiesen. Dies bedeutet,
dass der Katalysator mit einem höheren
Pt-Gehalt eine bessere Wärmebeständigkeit
und eine höhere Leistung
bei der NOx-Umwandlungseffizienz bei höheren Temperaturen
aufweist.
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Bewertung des Katalysators
(Bewertung im eingebauten Zustand)
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Die
folgenden Katalysatoren (a), (b) und (c) wurden hergestellt und
in eine Abgasleitung eines Magerverbrennungsmotors (Hubraum: 1,5
Liter, maximaler A/F-Wert: 25) zur Messung der Gesamt-NOx-Umwandlungseffizienz sowohl unter Magerverbrennungsbedingungen
als auch unter N-EC-Modus-Bedingungen (Kombination aus dem Niedriggeschwindigkeitsmodus
ECR-15 und dem Hochgeschwindigkeitsmodus EUDC) eingebaut.
Katalysator
(a): Ba 30 g/L; K 30 g/L; Pt 6,5 g/L; Rh 0,1 g/L
Katalysator
(b): Ba 15 g/L; K 15 g/L; Pt 6,5 g/L; Rh 0,1 g/L
Katalysator
(c): Ba 30 g/L; Pt 6,5 g/L; Rh 0,1 g/L
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Jede
Gruppe von Katalysatoren (a), (b), (c) wurde durch drei Alterungsbedingungen
klassifiziert, nämlich
als Katalysatoren vor der Alterung, Katalysatoren nach der Ofenalterung
(Wärmealterung
für 24
Stunden bei 900°C
an der Luft) und Katalysatoren nach der Motorenalterung (24 Stunden
Aussetzen gegenüber
einem Abgas eines Motors, der mit einem Luftüberschussverhältnis λ = 1 so betrieben
wird, dass die Abgastemperatur zwischen 930 und 550°C wechselt).
Die Arten der Trägermaterialien
und die Struktur der Beschichtungsschicht jedes in dem Test verwendeten
Katalysators waren die gleichen wie bei der Katalysatorprobe EC-V,
die vorstehend erläutert
worden ist. Das Ergebnis ist in der Tabelle VI gezeigt.
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Die
Tabelle VI zeigt, dass die Katalysatorproben (a) und (b) vor dem
Altern eine bessere Leistung zeigen als der Vergleichskatalysator
(c) vor dem Altern und dass sie unter Magerverbrennungsbedingungen
eine höhere
NOx-Gesamtumwandlungseffizienz aufweisen
als der Vergleichskatalysator. Dies bedeutet, dass K als Zusatzelement
in dem Katalysator geeignet ist.