EP1991340A1 - Katalysatormaterial zur behandlung von bei einer verbrennung entstehenden produkten und herstellungsverfahren - Google Patents

Katalysatormaterial zur behandlung von bei einer verbrennung entstehenden produkten und herstellungsverfahren

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Publication number
EP1991340A1
EP1991340A1 EP07703615A EP07703615A EP1991340A1 EP 1991340 A1 EP1991340 A1 EP 1991340A1 EP 07703615 A EP07703615 A EP 07703615A EP 07703615 A EP07703615 A EP 07703615A EP 1991340 A1 EP1991340 A1 EP 1991340A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
catalyst
catalyst material
cerium
total amount
mol percent
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07703615A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Joerg Jockel
Kristina Pokorna
Nelson Ewane Olong
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1991340A1 publication Critical patent/EP1991340A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/92—Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases
    • B01D53/94—Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases by catalytic processes
    • B01D53/944—Simultaneously removing carbon monoxide, hydrocarbons or carbon making use of oxidation catalysts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2255/00—Catalysts
    • B01D2255/10—Noble metals or compounds thereof
    • B01D2255/102—Platinum group metals
    • B01D2255/1021—Platinum
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2255/00—Catalysts
    • B01D2255/10—Noble metals or compounds thereof
    • B01D2255/104—Silver
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01D2255/202—Alkali metals
    • B01D2255/2022—Potassium
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01D2255/00—Catalysts
    • B01D2255/20—Metals or compounds thereof
    • B01D2255/207—Transition metals
    • B01D2255/2073—Manganese
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    • B01D—SEPARATION
    • B01D2255/00—Catalysts
    • B01D2255/20—Metals or compounds thereof
    • B01D2255/209—Other metals
    • B01D2255/2092—Aluminium

Definitions

  • catalyst devices For the treatment of combustion products or combustion exhaust gases, which are used, for example, in industrial processes or in the motor combustion of e.g. arise fossil fuels, catalyst devices are used. With catalyst devices both particulate and gaseous or liquid components or pollutants of the combustion products should be eliminated.
  • so-called diesel particulate filters are used in the exhaust gas treatment of exhaust gases which are produced during combustion of diesel fuel. With a diesel particulate filter in particular soot particles are filtered out of the exhaust stream and oxidized.
  • exhaust gas components such as unburned hydrocarbons (HC) and carbon monoxide (CO) should be reacted with oxygen.
  • said exhaust gas ingredients are oxidized to carbon dioxide and water.
  • catalytically active substances are used for the elimination of the exhaust gas ingredients.
  • catalytically active metals e.g. Platinum, palladium or possibly vanadium or iron used.
  • the object of the invention is to provide a catalyst material for the treatment of products resulting from combustion, with which the catalytic conversion of carbonaceous particles can be improved. This object is achieved by the claim 1 and the claim 10.
  • the invention is based on a catalyst material for the treatment of products resulting from combustion, which is designed for a catalytic conversion of carbonaceous particles, wherein the catalyst material is applied to a carrier and the catalyst material comprises cerium as a catalyst component.
  • An essential aspect of the invention is that the catalyst constituents in addition to cerium have at least one further catalyst component, wherein based on the total amount of the catalyst components, the proportion of cerium is at least 92 mol percent.
  • the temperature at which carbonaceous particles are degraded or oxidized to a significant extent and possibly completely burned off, in particular the so-called Rußabbrandtemperatur is significantly reduced compared to other catalyst material compositions.
  • effective reduction of soot particles can be made possible with the proposed catalyst material even when the temperatures of the catalyst material are lower than in continuous operation, which can occur regularly.
  • the cold start behavior in exhaust particulate filters, for example in vehicles with diesel engines is thereby improved.
  • this makes it possible to provide an effective measure for meeting statutory environmental protection requirements, for example for reducing particulate matter pollution by car exhaust gases.
  • catalyst constituents is to be understood as meaning, in particular, constituents which are catalytically active on the degradation of combustion products, in particular metals or semiconductors such as platinum, palladium, rhodium or one of the elements with the chemical abbreviations mentioned below.
  • the catalyst components usually applied to ceramic supports may for example be in an alloy or in compounds having different structures, e.g. as a mixture of elements, in molecular form or as complex compounds.
  • the proportion of cerium is between 92 mol percent and 99.5 mol percent.
  • a catalytically effective degradation effect e.g. also for non-particulate combustion products such as, for example, HC or CO
  • at least one further catalyst constituent is provided.
  • metals or semiconductors can be used, for example platinum, palladium, rhodium or compounds or mixtures with these substances.
  • the catalyst constituents comprise, in addition to cerium, just one further catalyst constituent and the proportion of cerium based on the total amount of the catalyst fraction.
  • exactly one more catalyst component is one of the chemical elements with the chemical abbreviation K, B, Cd, Cr, Dy, Er, Gd, Ho, Ca, La, Li, Lu, Mg, Mn, Nd, Pr, Sm. Se, Y, Zn, Sn, Eu, Sb, Cs, Ru, Ga, Ge, Hf, In, Cu, Na, Ag, Si, Tb, Yb, Zr, Bi, Mo, Nb, Rb, Sc, W, Sr, Ti, Te, Ba, Tm, Ta, Co and Ni are formed.
  • the composition of the catalyst materials can be made in a variety of different configurations. Due to the different possible combinations with cerium, the catalyst material can be optimally adapted in each case to different applications, in particular in order to realize a high catalytic activity for each combustion products to be treated.
  • the proportions of the catalyst components are determined according to one of the following element formulas Ag 3 Ceg 7 , Mn 3 Ceg 7 and KaCegz, wherein the subscript numbers in the formulas the mole percent of the above catalyst component based on the total amount of specify both catalyst components.
  • the catalyst constituents silver, manganese and potassium, in each case with cerium, it was possible to determine a comparatively clear reduction in the burning-off temperature of carbon-containing particles or of the soot burn-off temperature.
  • comparative experiments based on a differential thermal analysis (DTA) were carried out in which the respective catalyst materials were mixed with carbon black and heated in room temperature to 800 ° C. in synthetic air.
  • the catalyst constituents comprise, in addition to cerium, exactly two further catalyst components and the proportion of cerium based on the total amount of the catalyst constituents is between 92 mol percent and 99.4 mol percent.
  • Inner content of the specified proportion of cerium in three catalyst components has a particularly effective reduction in the burning temperature of carbonaceous particles result in at the same time relatively high oxidation efficiency of the catalyst material to gaseous combustion products.
  • a catalyst component is formed by platinum, with a proportion based on the total amount of the catalyst components between 0.1 mol percent and 3.0 mol percent. This makes it possible to reliably realize catalytically assisted combustion of gaseous hydrocarbons (HC) and carbon monoxide (CO). In this case, comparatively small amounts of platinum based on the total amount of catalyst components are sufficient.
  • a third catalyst component is provided with a proportion based on the total amount of catalyst components between 0.5 mol percent and 5.0 mol percent.
  • the third catalyst component is replaced by one of the chemical elements with the chemical abbreviation K, B, Cd, Cr, Dy, Er, Gd, Ho, Ca, La, Li, Lu, Mg, Mn, Nd, Pr, Sm, Se, Y, Zn, Sn, Eu, Sb, Cs, Ru, Ga, Ge, Hf, In, Cu, Na, Ag, Si, Tb, Yb, Zr, Bi, Mo, Nb, Rb, Sc, W, Sr, Ti, Te, Ba, Tm, Ta, Co and Ni.
  • K, B, Cd, Cr, Dy Er
  • Gd Ho
  • Ca La
  • Li Lu
  • a particularly preferred embodiment of the subject invention with cerium and exactly two other catalyst components are the proportions of the catalyst components according to one of the following element formulas Pto , 5 La 3 Ceg 6.5 , Pto , 5 Al 3 Ceg 6.5 and Pto , 5 K 3 Ceg 6.5 , wherein the subscript numbers in the formulas indicate the mole percent of the foregoing catalyst component based on the total amount of the three catalyst components.
  • a method for producing a catalyst material on a support is proposed, in particular for one of the abovementioned catalyst materials, which is characterized in that a sol-gel process is used to form the catalyst constituents on the support.
  • a sol-gel process SGP
  • metals can be incorporated, for example, as complexes homogeneously distributed in oxide materials.
  • a doping by the catalytically active component can be carried out in any amount.
  • highly dispersed metal oxide or metal particles can be produced, which can be used inter alia as heterogeneous catalyst materials.
  • sol-gel processes are characterized by very small, homogeneously distributed and non-agglomerated particles, narrow particle size distribution and a very variable degree of loading.
  • soluble organometallic compounds for example alkoxides, alcoholates or propionates, which form a gel, for example by means of a condensation step with dehydration.
  • One advantage of the sol-gel process is that, for example, it is possible to produce good ceramic or metal-oxide coatings with which, for example, ceramic fibers, particles coated or ceramic carrier.
  • a metal hydroxide is formed in the presence of moisture already during the evaporation of the solvent at these temperatures. Network off. This contains numerous metal hydroxide (MOH) groups and is therefore hydrophilic and antistatic. As the temperature is raised, the MOH groups then undergo dehydration to form metal oxide moieties and the surfaces become very mechanically stable.
  • MOH metal hydroxide
  • a representation can be made starting from metal salt solutions of nitrates, acetates, citrates or carbonates.
  • the solutions are dried and then calcined to temperatures of about 400 to about 800 0 C, the corresponding anions are thermally decomposed and formed the corresponding metal oxides.
  • FIG. 1 shows graphs obtained by combustion experiments, one of which shows the combustion of soot without catalyst material and the other shows the combustion of soot, in each case mixed with another catalyst material of different composition.
  • the experiments were carried out by means of a differential thermal analysis.
  • curve 1 relates to the combustion test of pure soot
  • the further curves relate to the soot combustion with the catalyst material Ag 3 Ce 97 (curve 2), Pto, 5 La 3 Ce 9 6.5 (curve 3), Pt O , 5AI 3 Ce 6 9.5 (curve 4), Mn 3 Ce 97 (Kur ⁇ ve 5) PtiK 3 Ce 96 (curve 6) and K 3 97 Ce (curve 7).
  • Table 1 shows the measured temperatures T50 in 0 C for pure carbon black or the individual investigated mixtures of carbon black with the various catalyst materials mentioned. The particular type of compound of the catalyst materials is also given in the table. The highest reference temperature T50 of 600 ° C., measured in the tests, was measured for pure carbon black. The most significant lowering of the reference temperature T50 of 411 0 C was 3 7 Ceg measured for the catalyst material K.

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Abstract

Es wird ein Katalysatormaterial zur Behandlung von bei einer Verbrennung entstehenden Produkten vorgeschlagen, welches für eine katalytische Umsetzung von kohlenstoffhaltigen Partikeln ausgebildet ist, wobei das Katalysatormaterial auf einem Träger aufgebracht ist und das Katalysatormaterial Cer als einen Katalysatorbestandteil umfasst. Für die Bereitstellung eines Katalysatormaterials mit welchem die katalytische Umsetzung von kohlenstoffhaltigen Partikeln verbessert werden kann, weisen die Katalysatorbestandteile neben Cer wenigstens einen weiteren Katalysatorbestandteil auf, wobei bezogen auf die gesamte Menge der Katalysatorbestandteile der Anteil von Cer mindestens 92 Mol-Prozent beträgt. Außerdem wird eine Verfahren zur Herstellung eines Katalysatormaterials vorgeschlagen.

Description

Beschreibung
Titel
Katalysatormaterial zur Behandlung von bei einer Verbrennung entstehenden
Produkten und Herstellungsverfahren
Stand der Technik
Für die Behandlung von Verbrennungsprodukten bzw. Verbrennungsabgasen, welche beispielsweise bei industriellen Prozessen bzw. bei der motorischen Verbrennung von z.B. fossilen Brennstoffen entstehen, werden Katalysatorvorrichtungen eingesetzt. Mit Katalysatorvorrichtungen sollen sowohl partikuläre als auch gasförmige bzw. flüssige Bestandteile bzw. Schadstoffe der Verbrennungsprodukte eliminiert werden. Beispielsweise kommen bei der Abgasbehandlung von Abgasen, welche bei einer Verbrennung von Dieselbrennstoff entstehen, sogenannte Dieselpartikelfilter zum Einsatz. Mit einem Dieselpartikelfilter werden insbesondere Rußpartikel aus dem Abgasstrom herausgefiltert und oxidiert. Zudem sollen Abgasbestandteile wie unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) und Kohlenmonoxid (CO) mit Sauerstoff umgesetzt werden. Im Idealfall werden die genannten Abgasinhaltsstoffe zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert.
Insbesondere für einen vollständigen Abbau von Rußpartikeln sind spezifische Anforderungen an den Abgaspartikelfilter gestellt. Im Abgaspartikelfilter werden hierzu katalytisch aktive Stoffe zur Eliminierung der Abgasinhaltsstoffe eingesetzt. Beispielsweise werden katalytisch wirkende Metalle, z.B. Platin, Palladium bzw. ggf. Vanadium oder Eisen eingesetzt.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Katalysatormaterial zur Behandlung von bei einer Verbrennung entstehenden Produkten bereit zu stellen, mit welchen die kata- lytische Umsetzung von kohlenstoffhaltigen Partikeln verbessert werden kann. Diese Aufgabe wird durch den Anspruch 1 und den Anspruch 10 gelöst.
Durch die abhängigen Ansprüche sind vorteilhafte Varianten der Erfindung aufgezeigt.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einem Katalysatormaterial zur Behandlung von bei einer Verbrennung entstehenden Produkten, welches für eine katalytische Umsetzung von kohlenstoffhaltigen Partikeln ausgebildet ist, wobei das Katalysatormaterial auf einem Träger aufgebracht ist und das Katalysatormaterial Cer als einen Katalysatorbestandteil umfasst. Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung liegt darin, dass die Katalysatorbestandteile neben Cer wenigstens einen weiteren Katalysatorbestandteil aufweisen, wobei bezogen auf die gesamte Menge der Katalysatorbestandteile der Anteil von Cer mindestens 92 Mol- Prozent beträgt. Durch diese Maßnahme kann die katalytische Umsetzung von kohlenstoffhaltigen Partikeln der Verbrennungsprodukte besonders effektiv realisieret werden. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere durch vergleichsweise hohe Anteile von Cer in den Katalysatorbestandteilen die Rußkatalyse deutlich verbessert wird. Insbesondere wird dadurch erreicht, dass die Temperatur, bei welcher kohlenstoffhaltige Partikel in nennenswertem Umfang abgebaut bzw. oxidiert und ggf. vollständig abgebrannt werden, insbesondere die sogenannte Rußabbrandtemperatur, im Vergleich zu anderen Katalysatormaterialzusammensetzungen signifikant gesenkt wird. Damit kann insbesondere bereits bei im Vergleich zum Dauerbetrieb niedrigeren Temperaturen des Katalysatormaterials, die regelmäßig auftreten können, mit dem vorgeschlagenen Katalysatormaterial eine effektive Rußpartikeloxidation ermöglicht werden. Insbesondere das Kaltstartverhalten bei Abgaspartikelfiltern z.B. bei Fahrzeugen mit Dieselmotoren wird dadurch verbessert. Hierdurch lässt sich insbesondere eine effektive Maßnahme zur Erfüllung von gesetzlichen Umweltschutzvorgaben bereitstellen, z.B. zur Reduzierung der Feinstaubbelastung durch Pkw- Abgase. Die Angabe von Anteilen der Katalysatorbestandteile in Mol- Prozenten bezieht sich auf die katalytisch aktiven Stoffe bzw. nicht auf ggf. vorhandene Füll- oder Stützmaterialien in der katalytischen Schicht, die keine bzw. nahezu keine Katalysewirkung zeigen. Unter Katalysatorbestandteilen sind im Sinne der Erfindung neben Cer grundsätzlich insbesondere Bestandteile zu verstehen, die auf den Abbau von Verbrennungsprodukten katalytisch wirksam sind, insbesondere Metalle oder Halbleiter wie zum Beispiel Platin, Palladium, Rhodium oder eines der Elemente mit den weiter unten genannten chemischen Kurzzeichen.
Die in der Regel auf keramischen Trägern wie Aluminiumoxidpartikeln aufgebrachten Katalysatorbestandteile können beispielsweise in einer Legierung bzw. in Verbindungen mit unterschiedlichen Strukturen vorliegen, z.B. als Mischung von Elementen, in Molekülform bzw. als Komplexverbindungen.
Neben z.B. der Absenkung der Rußabbrandtemperatur wird mit dem vorgeschlagenen Katalysatormaterial zudem erreicht, dass die beim Rußabbrand entstehenden Temperaturspitzen vergleichsweise niedriger sind bzw. abgedämpft werden können. Damit kann das Trägermaterial auf dem die Katalysatorbestandteile aufgebracht sind vor hitzebedingten Beschädigungen durch Rußabbrand geschont werden.
Vorteilhafterweise liegt bezogen auf die gesamte Menge der Katalysatorbestandteile der Anteil von Cer zwischen 92 Mol- Prozent und 99,5 Mol- Prozent. Um eine katalytisch effektive Abbauwirkung z.B. auch für nichtpartikuläre Verbrennungsprodukte wie beispielsweise HC oder CO zu ermöglichen ist neben dem Hauptbestandteil Cer insbesondere wenigstens ein weiterer Katalysatorbestandteil vorgesehen. Insbesondere Metalle bzw. Halbleiter können dazu verwendet werden, beispielsweise Platin, Palladium, Rhodium bzw. Verbindungen oder Gemische mit diesen Stoffen.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsform des Erfindungsgegenstandes umfassen die Katalysatorbestandteile neben Cer genau einen weiteren Katalysatorbestandteil und liegt der Anteil von Cer bezogen auf die gesamte Menge der Katalysator- - A -
bestandteile zwischen 95 Mol-Prozent und 99,5 Mol- Prozent. Es hat sich gezeigt, dass mit den genannten vergleichsweise hohen Anteilen an Cer und genau einem weiteren Katalysatorbestandteil die Abbauleistung von partikulären Verbrennungsprodukten besonders vorteilhaft erfolgen kann. Insbesondere mit Cer- Anteilen in dem genannten Bereich und einem weiteren Katalysatorstoff ist eine signifikante Absenkung der Abbrandtemperatur von kohlenstoffhaltigen Partikeln wie beispielsweise Ruß und eine effektive Oxidation von HC und CO möglich.
Vorteilhafterweise ist der genau eine weitere Katalysatorbestandteil durch eines der chemischen Elemente mit dem chemischen Kurzzeichen K, B, Cd, Cr, Dy, Er, Gd, Ho, Ca, La, Li, Lu, Mg, Mn, Nd, Pr, Sm, Se, Y, Zn, Sn, Eu, Sb, Cs, Ru, Ga, Ge, Hf, In, Cu, Na, Ag, Si, Tb, Yb, Zr, Bi, Mo, Nb, Rb, Sc, W, Sr, Ti, Te, Ba, Tm, Ta, Co und Ni gebildet. Durch die Kombination eines der genannten chemischen Elemente mit Cer kann die Zusammensetzung der Katalysatormaterialien in einer Vielzahl von unterschiedlichen Ausgestaltungen erstellt werden. Durch die unterschiedlichen möglichen Kombinationen mit Cer kann das Katalysatormaterial jeweils an verschiedene Einsatzzwecke optimal angepasst werden, insbesondere um eine hohe katalytische Wirkung für die jeweils zu behandelnden Verbrennungsprodukte zu realisieren.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes sind die Anteile der Katalysatorbestandteile gemäß einer der folgenden Elementformeln Ag3Ceg7, Mn3Ceg7 und KaCegz bestimmt, wobei die tiefgestellten Zahlen in den Formeln die Mol- Prozente des voranstehenden Katalysatorbestandteils bezogen auf die gesamte Menge der beiden Katalysatorbestandteile angeben. Durch die genannten Kombinationen der Katalysatorbestandteile Silber, Mangan und Kalium jeweils mit Cer konnte eine vergleichsweise deutliche Absenkung der Abbrandtemperatur von kohlenstoffhaltigen Partikeln bzw. der Rußabbrandtemperatur festgestellt werden. Beispielsweise wurden Vergleichsversuche auf Grundlage einer Differential-Thermo-Analyse (DTA) durchgeführt, bei welcher die jeweiligen Katalysatormaterialien mit Ruß vermischt und in synthetischer Luft von Raumtemperatur auf 800 0C aufgeheizt wurde. Dabei wurde die Abnahme der Rußmasse als relative Masse des Rußes zur Ausgangsmasse bzw. die dabei herrschende Temperatur im Versuchsraum erfasst, in Beziehung gesetzt und als Kurve dargestellt. Für eine vergleichende Bewertung der katalytischen Aktivität der jeweiligen Zusammensetzung der Katalysatorbestandteile wurden insbesondere diejenigen Temperaturen ermittelt, bei denen ein Masseverlust des eingesetzten Rußes von 50 % auftrat. Als Bezugskurve wurde die Verbrennung von reinem Ruß ohne kata- lytische Unterstützung gemessen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform des Katalysatormaterials umfassen die Katalysatorbestandteile neben Cer genau zwei weitere Katalysatorbestandteile und liegt der Anteil von Cer bezogen auf die gesamte Menge der Katalysatorbestandteile zwischen 92 Mol- Prozent und 99,4 Mol- Prozent. Innerhalt des angegebenen Anteils von Cer bei drei Katalysatorbestandteilen hat sich eine besonders effektive Senkung der Abbrandtemperatur von kohlenstoffhaltigen Partikeln ergeben bei gleichzeitig relativ hoher Oxidationswirkung des Katalysatormaterials auf gasförmige Verbrennungsprodukte.
Bei der zuvor genannten Ausgestaltungsform der Erfindung ist es besonders vorteilhaft, wenn ein Katalysatorbestandteil durch Platin gebildet ist, mit einem Anteil bezogen auf die gesamte Menge der Katalysatorbestandteile zwischen 0,1 Mol- Prozent und 3,0 Mol- Prozent. Hierdurch lässt sich zuverlässig eine katalytisch gestützte Verbrennung von gasförmigen Kohlenwasserstoffen (HC) und Kohlenmo- noxid (CO) realisieren. Dabei sind vergleichsweise geringe Anteile von Platin bezogen auf die Gesamtmenge an Katalysatorbestandteilen ausreichend.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn neben Cer und Platin ein dritter Katalysatorbestandteil vorgesehen ist mit einem Anteil bezogen auf die gesamte Menge der Katalysatorbestandteile zwischen 0,5 Mol- Prozent und 5,0 Mol- Prozent. Mit den drei aufgeführten Katalysatorbestandteilen kann die Abbauleistung des Katalysatormaterials bzw. die Effektivität im Hinblick auf partikuläre und gasförmige Verbrennungsprodukte effektiv bewerkstelligt werden.
Besonders bevorzugt ist es, wenn der dritte Katalysatorbestandteil durch eines der chemischen Elemente mit dem chemischen Kurzzeichen K, B, Cd, Cr, Dy, Er, Gd, Ho, Ca, La, Li, Lu, Mg, Mn, Nd, Pr, Sm, Se, Y, Zn, Sn, Eu, Sb, Cs, Ru, Ga, Ge, Hf, In, Cu, Na, Ag, Si, Tb, Yb, Zr, Bi, Mo, Nb, Rb, Sc, W, Sr, Ti, Te, Ba, Tm, Ta, Co und Ni gebildet ist.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes mit Cer und genau zwei weiteren Katalysatorbestandteilen sind die Anteile der Katalysatorbestandteile gemäß einer der folgenden Elementformeln Pto,5La3Ceg6,5, Pto,5Al3Ceg6,5 und Pto,5K3Ceg6,5 bestimmt, wobei die tiefgestellten Zahlen in den Formeln die Mol- Prozente des voranstehenden Katalysatorbestandteils bezogen auf die gesamte Menge der drei Katalysatorbestandteile angeben. Mit den oben genannten Anteilen von Cer, Platin und einem weiteren Bestandteil, kann eine deutliche Absenkung der Abbrandtemperatur von Rußpartikeln erreicht werden, was beispielsweise durch Abbrandversuche mit den genannten Anteilen der Katalysatorbestandteile experimentell bestätigt werden konnte.
Gemäß eines weiteren wesentlichen Aspekts der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Katalysatormaterials auf einem Träger vorgeschlagen, insbesondere für eines der oben aufgeführten Katalysatormaterialien, welches sich dadurch auszeichnet, dass ein SoI-GeI- Prozess zur Ausbildung der Katalysatorbestandteile auf dem Träger zum Einsatz kommt. Mit einem sogenannten SoI-GeI- Prozess (S-G-P) können Metalle z.B. als Komplexe homogen verteilt in Oxid- Materialien eingebaut werden. Eine Dotierung durch die katalytisch aktive Komponente kann in beliebiger Menge erfolgen. Beispielsweise können durch thermolyti- sche Zersetzung der Metallkomplexe oder durch Behandlung in einem Sauerstoffplasma hochdisperse Metalloxid- oder Metallpartikel erzeugt werden, die unter anderem als heterogene Katalysatormaterialien eingesetzt werden können. Sie zeichnen sich durch sehr kleine, homogen verteilte und nicht agglomerierte Partikel, enge Partikelgrößenverteilung und einen sehr variablen Beladungsgrad aus. Insbesondere können lösliche metallorganische Verbindungen z.B. Alkoxide, Al- koholate bzw. Propionate eingesetzt werden, welche beispielsweise durch einen Kondensationsschritt unter Wasserabspaltung ein Gel bilden. Ein Vorteil des SoI- GeI- Prozesses besteht darin, dass sich z.B. gute keramische bzw. metalloxidische Überzüge erzeugen lassen, mit denen man zum Beispiel keramische Fasern, Par- tikel bzw. keramische Träger beschichten kann. Wird eine alkoholische Lösung hydrolysierbarer Alkoholate mehrwertiger Metall-Ionen, z.B. Titan, Kobalt, Mangan, Molybdän, Silicium, Aluminium usw., auf einer Oberfläche aufgetragen, so bildet sich in Gegenwart von Feuchtigkeit bereits während des Verdunstens des Lösungsmittels bei diesen Temperaturen ein Metallhydroxid- Netzwerk aus. Dieses enthält zahlreiche Metall-Hydroxid (MOH)-Gruppen und ist daher hydrophil und antistatisch. Bei Erhöhung der Temperatur reagieren die MOH-Gruppen dann unter Wasserabspaltung zu Metalloxid-Gruppierungen und die Oberflächen werden mechanisch sehr stabil.
In einem alternativen Verfahren kann eine Darstellung ausgehend von Metallsalzlösungen aus Nitraten, Acetaten, Citraten oder Carbonaten erfolgen. Die Lösungen werden getrocknet und anschließend auf Temperaturen von ca. 400 bis ca. 800 0C kalziniert, die entsprechenden Anionen werden dabei thermisch zersetzt und die entsprechenden Metalloxide gebildet.
Figurenbeschreibung
Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten einzigen Figur näher erläutert.
Figur 1 zeigt durch Verbrennungsversuche erhaltene Kurvenverläufe, von denen eine die Verbrennung von Ruß ohne Katalysatormaterial und die anderen die Verbrennung von Ruß jeweils gemischt mit einem anderen Katalysatormaterial unterschiedlicher Zusammensetzung zeigt. Die Versuche wurden mittels einer Dif- ferenzial-Thermoanalyse durchgeführt.
Die in Figur 1 gezeigten unterschiedlichen Kurvenverläufe sind in einem rechtwinkligem Koordinatensystem aufgezeigt, wobei auf der Abszissenachse die in dem Versuchsraum gemessene Temperatur T in Grad Celsius bis 800 0C und auf der Ordinatenachse das relative Gewicht m der untersuchten Rußmenge bezogen auf die zu Beginn des Versuchs vorhandene Ausgangsrußmenge aufgetragen ist. Für die katalytisch unterstützten Verbrennungsversuche wurde die jeweilige Aus- führungsform der Katalysatormaterialien mit Ruß in einem Verhältnis von Ruß zu Katalysatormaterial von 1 zu 4 vermischt und in synthetischer Luft mit 20 % Sauerstoff und 80 % Stickstoff von Raumtemperatur bis ca. 800 0C aufgeheizt. Die Aufheizrate betrug 10 Kelvin pro Minute. Der Volumenstrom der synthetischen Luft wurde auf 50 Milliliter pro Minute eingestellt.
Zur Beurteilung der katalytischen Wirkung der unterschiedlichen Katalysatorbestandteile wurde neben dem gesamten Kurvenverlauf bis zum vollständigen Ab- brand des Rußes insbesondere diejenigen Temperaturen ermittelt, bei denen ein Masseverlust des Rußes gegenüber der Ausgangsrußmenge von 50 % festgestellt wurde. Im Schaubild gemäß Figur 1 sind diese Bezugstemperaturen T50 in 0C durch die Schnittpunkte der einzelnen Messkurven mit dem Ordinatenwert von m = 0,5 zu ermitteln. In Figur 1 betrifft Kurve 1 den Verbrennungsversuch von reinem Ruß, die weiteren Kurven die Rußverbrennung mit dem Katalysatormaterial Ag3Ce97 (Kurve 2), Pto,5La3Ce96,5 (Kurve 3), Pto,5AI3Ce69,5 (Kurve 4), Mn3Ce97 (Kur¬ ve 5), PtiK3Ce96 (Kurve 6) und K3Ce97 (Kurve 7).
Die nachfolgend aufgeführte Tabelle 1 zeigt die dabei gemessenen Temperaturen T50 in 0C für reinen Ruß bzw. die einzelnen untersuchten Mischungen von Ruß mit den genannten unterschiedlichen Katalysatormaterialien. Der jeweilige Verbindungstyp der Katalysatormaterialien ist ebenfalls in der Tabelle angegeben. Die in den Versuchen gemessene höchste Bezugstemperatur T50 von 600 0C wurde für reinen Ruß gemessen. Die deutlichste Absenkung der Bezugstemperatur T50 von 411 0C wurde für das Katalysatormaterial K3Ceg7 gemessen.
Tabelle 1:

Claims

Ansprüche
1. Katalysatormaterial zur Behandlung von bei einer Verbrennung entstehenden Produkten, welches für eine katalytische Umsetzung von kohlenstoffhaltigen Partikeln ausgebildet ist, wobei das Katalysatormaterial auf einem Träger aufgebracht ist und das Katalysatormaterial Cer als einen Katalysatorbestandteil umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatorbestandteile neben Cer wenigstens einen weiteren Katalysatorbestandteil aufweisen, wobei bezogen auf die gesamte Menge der Katalysatorbestandteile der Anteil von Cer mindestens 92 Mol- Prozent beträgt.
2. Katalysatormaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bezogen auf die gesamte Menge der Katalysatorbestandteile der Anteil von Cer zwischen 92 Mol- Prozent und 99,5 Mol- Prozent liegt.
3. Katalysatormaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatorbestandteile neben Cer genau einen weiteren Katalysatorbestandteil umfassen und der Anteil von Cer bezogen auf die gesamte Menge der Katalysatorbestandteile zwischen 95 Mol- Prozent und 99,5 Mol- Prozent liegt.
4. Katalysatormaterial nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der eine weitere Katalysatorbestandteil durch eines der chemischen Elemente mit dem chemischen Kurzzeichen K, B, Cd, Cr, Dy, Er, Gd, Ho, Ca, La, Li, Lu, Mg, Mn, Nd, Pr, Sm, Se, Y, Zn, Sn, Eu, Sb, Cs, Ru, Ga, Ge, Hf, In, Cu, Na, Ag, Si, Tb, Yb, Zr, Bi, Mo, Nb, Rb, Sc, W, Sr, Ti, Te, Ba, Tm, Ta, Co und Ni gebildet ist.
5. Katalysatormaterial nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anteile der Katalysatorbestandteile gemäß einer der folgenden E- lementformeln Ag3Ceg7, MnaCegz und KaCegz bestimmt sind, wobei die tiefgestellten Zahlen in den Formeln die Mol- Prozente des voranstehenden Katalysatorbestandteils bezogen auf die gesamte Menge der beiden Katalysatorbestand- teile angeben.
6. Katalysatormaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatorbestandteile neben Cer genau zwei weitere Katalysatorbestandteile umfassen und der Anteil von Cer bezogen auf die gesamte Menge der Katalysatorbestandteile zwischen 92 Mol- Prozent und 99,4 Mol- Prozent liegt.
7. Katalysatormaterial nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Katalysatorbestandteil durch Platin gebildet ist, mit einem Anteil bezogen auf die gesamte Menge der Katalysatorbestandteile zwischen 0,1 Mol- Prozent und
3,0 Mol-Prozent.
8. Katalysatormaterial nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass neben Cer und Platin ein dritter Katalysatorbestandteil vorgesehen ist mit einem Anteil bezogen auf die gesamte Menge der Katalysatorbestandteile zwischen 0,5 Mol-Prozent und 5,0 Mol-Prozent.
9. Katalysatormaterial nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Katalysatorbestandteil durch eines der chemischen Elemente mit dem chemischen Kurzzeichen K, B, Cd, Cr, Dy, Er, Gd, Ho, Ca, La, Li, Lu, Mg, Mn, Nd, Pr, Sm, Se, Y, Zn, Sn, Eu, Sb, Cs, Ru, Ga, Ge, Hf, In, Cu, Na, Ag, Si, Tb, Yb, Zr, Bi, Mo, Nb, Rb, Sc, W, Sr, Ti, Te, Ba, Tm, Ta, Co und Ni gebildet ist.
10. Katalysatormaterial nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anteile der Katalysatorbestandteile gemäß einer der folgenden E- lementformeln Pto,5La3Ceg6,5, Pto,5Al3Ceg6,5 und Pto,5K3Ceg6,5 bestimmt sind, wobei die tiefgestellten Zahlen in den Formeln die Mol- Prozente des voranstehenden Katalysatorbestandteils bezogen auf die gesamte Menge der drei Katalysatorbestandteile angeben.
11. Verfahren zur Herstellung eines Katalysatormaterials auf einem Träger, insbesondere eines Katalysatormaterials nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sol-Gel-Prozess zur Ausbildung der Katalysatorbestandteile auf dem Träger zum Einsatz kommt.
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