EP2560755A1 - Neue mischoxid-materialien zur selektiven katalytischen reduktion von stickoxiden in abgasen - Google Patents

Neue mischoxid-materialien zur selektiven katalytischen reduktion von stickoxiden in abgasen

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EP2560755A1
EP2560755A1 EP11716376A EP11716376A EP2560755A1 EP 2560755 A1 EP2560755 A1 EP 2560755A1 EP 11716376 A EP11716376 A EP 11716376A EP 11716376 A EP11716376 A EP 11716376A EP 2560755 A1 EP2560755 A1 EP 2560755A1
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EP
European Patent Office
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oxide
zeolite
catalyst
compound
catalytically active
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11716376A
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Inventor
Katja Adelmann
Gerald Jeske
Rainer Domesle
Nicola Soeger
Michael Seyler
Anke Schuler
Thomas R. Pauly
Barry W. L. Southward
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Umicore AG and Co KG
Original Assignee
Umicore AG and Co KG
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Publication date
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Priority to EP11716376A priority Critical patent/EP2560755A1/de
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Definitions

  • the invention relates to the use of mixed oxides as a catalytically active material for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides with ammonia or a decomposable to ammonia compound as a reducing agent in the exhaust gas of predominantly lean-burn internal combustion engines in motor vehicles.
  • the invention also relates to catalytically active compositions comprising a mixed oxide and a zeolite compound and / or a zeolite-like compound, as well as various embodiments of catalysts prepared from said mixed oxides or compositions.
  • Exhaust gases from motor vehicles with a predominantly lean-burn internal combustion engine contain not only the usual primary emissions of carbon monoxide CO, hydrocarbons HC and nitrogen oxides NO x a relatively high oxygen content of up to 15 vol .-%. Carbon monoxide and hydrocarbons can easily be neutralized by oxidation. The reduction of nitrogen oxides to nitrogen is more difficult because of the high oxygen content.
  • One known method of removing nitrogen oxides from exhaust gases in the presence of oxygen is the Selective Catalytic Reduction (SCR) process using ammonia on a suitable catalyst, abbreviated to SCR catalyst.
  • SCR Selective Catalytic Reduction
  • the nitrogen oxides to be removed from the exhaust gas are reacted with ammonia to nitrogen and water.
  • the ammonia used as the reducing agent can be made available by metering into the exhaust gas stream a compound which is decomposable to ammonia, for example urea, ammonium carbamate or ammonium formate, and subsequent hydrolysis.
  • exhaust-gas cleaning concepts for motor vehicles are known in which ammonia is generated during a rich operating phase of the engine on an upstream catalytic converter, for example a nitrogen oxide storage catalytic converter, as secondary emission and stored in the SCR catalytic converter until the point of consumption during the lean operating phases.
  • an upstream catalytic converter for example a nitrogen oxide storage catalytic converter
  • the use in a discontinuous SCR system in which the ammonia used as a reducing agent is generated exclusively as a secondary emission in the exhaust system requires SCR catalysts whose ammonia storage capacity is sufficient to provide as much as possible of the total reducing agent need for Abgasentstickung during the lean phase.
  • Particularly suitable for this purpose are zeolite-based SCR catalysts, as are known from numerous publications and patent applications. For example, US Pat. No.
  • 4,961,917 describes a method for reducing nitrogen oxides with ammonia using a catalyst which contains iron and / or copper as promoter in addition to a zeolite having defined properties.
  • SCR catalysts based on transition metal-exchanged zeolites and processes for the selective catalytic reduction using such SCR catalysts are described, for example, in EP 1 495 804 A1, US Pat. No. 6,914,026 B2 or EP 1 147 801 B1.
  • the SCR catalyst it is not necessary for the SCR catalyst to have a large ammonia storage capacity. Accordingly, efforts are being made to avoid the use of zeolite-based SCR catalysts, which are very expensive because of the high production prices of zeolite compounds.
  • SCR catalysts containing vanadium oxide in addition to titanium dioxide or tungsten oxide or mixtures thereof are suitable.
  • EP 0 385 164 B1 describes such a catalyst which, in addition to titanium dioxide, contains at least one oxide of tungsten, silicon, boron, aluminum, phosphorus, zirconium, barium, yttrium, lanthanum or cerium, and at least one oxide of vanadium, niobium, molybdenum, Contains iron or copper and is prepared as a shaped body by compression or extrusion of the components optionally after addition of suitable auxiliaries.
  • EP 1 153 648 A1 describes a structured SCR catalyst which contains, under a hydrolysis catalyst coating, a reduction coating whose composition corresponds to the formulation known from EP 0 385 164 B1.
  • EP 0 246 859 describes an SCR catalyst containing vanadium applied to a mixture of ceria and alumina.
  • vanadium-containing SCR catalysts for cleaning the exhaust gases of motor vehicles is the possible emission of volatile, toxic vanadium compounds at higher exhaust gas temperatures, which must be expected to be harmful to humans and the environment. Accordingly, the acceptance of vanadium-containing autocatalysts in the market is decreasing. Efforts to provide cost-effective vanadium-free SCR catalysts have been around for some time. Thus, some mixed oxide compositions based on cerium-zirconium mixed oxide and their use in the SCR reaction are already known in the art.
  • WO 2008/049491 discloses homogeneous cerium-zirconium mixed oxides containing 10 to 90% by weight of cerium oxide, based on the total weight of the cerium-zirconium mixed oxide, and by incorporating sulfur or a transition metal selected from the group consisting of chromium, molybdenum, Tungsten or mixtures thereof or combinations thereof are activated for the SCR reaction.
  • Particularly preferred embodiments of these mixed oxides contain 0.02 to 3 wt .-% sulfur and / or 5 to 15 wt .-% molybdenum or tungsten and 0.5 to 3 wt .-% iron or copper, each based on the total weight of cerium -Zirkon mixed oxide.
  • Cerium-zirconium mixed oxides containing 45-55% by weight of CeO 2 and 1-9% by weight of rare earth oxide are particularly preferably used for the preparation of the SCR-active compounds.
  • EP 2 116 293 discloses a vanadium-free SCR catalyst which contains tungsten oxide WO 3 and a homogeneous cerium-zirconium mixed oxide (Ce, Zr) O 2 , the content of tungsten oxide WO 3 being between 5 and 25% by weight, the content of the homogeneous cerium-zirconium mixed oxide can be between 50 and 95% by weight.
  • Cerium-zirconium mixed oxides having a weight ratio of cerium oxide CeO 2 to zirconium oxide ZrO 2 between 0.67 and 1.5 are preferred.
  • EP 2 072 120 likewise discloses a temperature-stable catalyst for the reduction of nitrogen oxides in the presence of ammonia, which contains 10 to 30% by weight of cerium oxide and 5 to 14% of tungsten oxide, and zirconium oxide as complex oxide.
  • WO 2008/051752 discloses a NO x reduction catalyst comprising a cerium-zirconium-based mixed oxide of the formula Ce a Zr b R t AiMeO x wherein R is tungsten or manganese and A is molybdenum, tantalum or niobium, optionally also tungsten, if R is manganese.
  • M denotes a trivalent rare earth ion, preferably selected from Sm, Gd, Dy, Er, Yb, Ho, Er, Tm and Lu, but not La or Y.
  • the mixed oxide of This composition is catalytically active and is suitable for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides with ammonia. It can be used in a corresponding exhaust aftertreatment system either as an essential component of the catalytically active coating of an SCR catalyst or as part of the coating of a catalytically active particulate filter.
  • EP 0 277 765 discloses a process for removing nitrogen oxides from the exhaust gas of diesel engines by catalytic reduction over a honeycomb catalyst containing as active material 60 to 95% by weight of an oxide selected from TiO 2 , ZrO 2 , (Ti, Zr ) 0 2 , (Ti, Si) 0 2 and (Ti, Zr, Si) 0 2 . Furthermore, the catalyst contains 0.5 to 40 wt .-% vanadium, tungsten, molybdenum, manganese, cerium and / or tin oxide.
  • US 5,552,128 describes a process for reacting nitrogen oxides to nitrogen by contacting the nitrogen oxides with a reducing agent in the presence of a catalyst which effectively catalyzes the reduction of the nitrogen oxides.
  • the catalyst consists essentially of solid acid components comprising a metal oxide of the 4th subgroup of the Periodic Table of the Elements, which is modified with an oxyanion of a metal of the 6th subgroup and further at least one metal selected from the 1st, the 5th, the 7th or contains the 8th subgroup or even the 4th main group of the periodic table of the elements.
  • US 2006/0228283 describes a catalyst system and a method for reducing nitrogen oxides in exhaust gases by reduction with hydrocarbons or oxygen-containing organic compounds.
  • the "modification catalyst” comprises a "modification oxide” selected from the group consisting of iron oxide, cerium oxide, copper oxide, manganese oxide, chromium oxide, lanthanide oxides, actinide oxides, molybdenum oxide, Tin oxide, indium oxide, rhenium oxide, tantalum oxide, osmium oxide, barium oxide, calcium oxide, strontium oxide, potassium oxide, calcium oxide, vanadium oxide, nickel oxide, tungsten oxide, and mixtures thereof.
  • This "modifying oxide” is applied to inorganic carrier oxides, at least one acidic and preferably selected from the group consisting of titanium-zirconium mixed oxide, zirconium-aluminum mixed oxide, sulphated zirconium oxide, phosphated zirconium oxide, tungsten-modified zirconium mixed oxide, silicon-alumin
  • the invention has for its object to provide cost-effective, vanadium-free SCR catalysts available, which are characterized by dynamic light-off while aging resistant ammonia storage capacity and can also be produced as exhaust gas purification components with low back pressure.
  • cerium-zirconium mixed oxides can show an effect catalyzing the selective catalytic reduction of nitrogen oxides after a targeted activation.
  • the inventors have now surprisingly found that the targeted Veresell- tion of the aforementioned mixed oxides with niobium (V) oxide (Nb 2 0 5 ) to a mixed oxide of ceria, zirconia, rare earth sesquioxide and niobium oxide, which without an additional activation step an excellent Activity with high aging stability in the SCR reaction shows.
  • Such mixed oxides are described in US Pat. No. 6,468,941 B1, but are not used there to catalyze the selective catalytic reduction of nitrogen oxides, but as oxygen-ion-conducting or oxygen-storing materials in three-way catalysts.
  • the present invention accordingly relates to the use of a catalytically active mixed oxide consisting of cerium oxide, niobium oxide, rare earth sesquioxide and zirconium oxide for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides.
  • the use according to the invention takes place, for example, in such a way that the mixed oxide is contained in the form of a fully extruded, catalytically active honeycomb body in a catalyst.
  • the use according to the invention takes place in such a way that the mixed oxide is contained in a catalytically active coating which is applied to a catalytically inert support body which forms a catalyst together with the coating.
  • the preparation of the mixed oxide used according to the invention can be carried out by the simplest means.
  • a suitable complex mixed oxide is obtained, for example, by impregnation of a commercially available cerium-zirconium mixed oxide, which is doped with rare earth sesquioxide for stabilization, with an aqueous solution of a water-soluble niobium compound and subsequent calcination of the (wet) powder thus obtained.
  • Preferred mixed oxides to be used according to the invention which are very suitable for catalyzing the selective reduction of nitrogen oxides in lean exhaust gases, have the following composition of their components, calculated as parts by weight of the primary oxides: 15-50% by weight CeO 2 , 3 25 wt .-% Nb 2 0 5l 3 - 10 wt .-% SE 2 0 3 and rest Zr0 2 , where SE is a rare earth element.
  • the mixed oxides contain 25-45 wt .-% Ce0 2 , 3 - 20 wt .-% Nb 2 0 5l 3 - 10 wt .-% SE 2 0 3 and the radical Zr0 2 , and most preferably 35- 40 wt % Ce0 2 , 10-15% by weight Nb 2 0 5 , 3-6% by weight SE 2 O 3 and the radical ZrO 2 .
  • the mixed oxides to be used according to the invention are processed, for example, into a mechanically stable catalyst.
  • Preferred embodiments of such a catalyst are obtained by applying at least one catalytically active coating which contains the mixed oxide to be used according to the invention to a catalytically inert support body.
  • a catalytically inert support preferably ceramic or metallic fürflußwaben redesign, ceramic Wandflußfiltersubstrate and ceramic or metallic foam structures are used.
  • preferred embodiments of the catalyst are obtained when a catalytically active, monolithic honeycomb body is produced by extrusion from the mixed oxide to be used according to the invention. These embodiments are characterized by a particularly low back pressure.
  • an extrudable, pasty mass is produced which in addition to the catalytically active composition optionally extrusion aids such For example, bentonite, boehmite, ⁇ -alumina, zirconium oxide or conventional cerium-zirconium mixed oxide contains.
  • extrusion aids such for example, bentonite, boehmite, ⁇ -alumina, zirconium oxide or conventional cerium-zirconium mixed oxide contains.
  • the catalysts prepared in this way exhibit excellent NO x conversion rates in the temperature range from 250 ° C to 450 ° C. They are characterized in particular by excellent aging stability under hydrothermal conditions.
  • the combination of these properties causes a dynamic light-off behavior of the catalyst in the SCR reaction after metering of the reductant from a source independent of the engine (e.g., in the form of urea injection into the exhaust line) at all important operating points.
  • a source independent of the engine e.g., in the form of urea injection into the exhaust line
  • the metering strategy for the reducing agent can be made significantly simpler than in the systems according to the prior art in which, for example, exclusively zeolite-based SCR catalysts are used.
  • the mixed oxide to be used according to the invention can be used in combination with a zeolite compound and / or a zeolite-like compound.
  • the present invention also relates to a catalytically active composition
  • a catalytically active composition comprising (i) a mixed oxide consisting of cerium oxide, niobium oxide, rare earth sesquioxide and zirconium oxide and (ii) a zeolite compound and / or a zeolite-like compound containing exchangeable cations selected from the group consisting of H + , NH 4 ⁇ Fe 2+ , Fe 3+ , Cu + , Cu 2+ , Ag + or mixtures thereof.
  • the present invention further relates to a catalyst characterized in that it comprises (i) a mixed oxide consisting of cerium oxide, niobium oxide, rare earth sesquioxide and zirconium oxide and (ii) a zeolite compound and / or a zeolite-like compound which contains exchangeable cations selected from the group consisting of H + , NH 4 + , Fe 2+ , Fe 3+ , Cu + , Cu 2+ , Ag + or mixtures thereof.
  • Preferred catalytically active compositions according to the invention and preferred catalysts according to the invention comprise the mixed oxides described above as being preferred or particularly preferred.
  • the zeolite compound and / or the zeolite-like compound particularly preferably contains H + , Fe- and / or Cu cations.
  • the zeolite compound and / or the zeolite-like compound itself is preferably selected from the group consisting of zeolite beta, USY, ZSM-5, CHA, FER, ERI, SAPO-11, SAPO-17, SAPO-34, SAPO-56, ALPO- 11, ALPO-17, ALPO-34 and ALPO-56. Particular preference is given to zeolite beta, CHA, FER and SAPO-34.
  • the mixed oxide consisting of cerium oxide, niobium oxide, rare earth sesquioxide and zirconium oxide in the form of a fully extruded, catalytically active honeycomb body is present and the zeolite compound and / or zeolite-like compound is contained in a catalytically active coating applied to the honeycomb body.
  • the catalyst according to the invention is present as a coated inert supporting body, wherein the mixed oxide is contained in at least one catalytically active coating applied thereto, and the zeolite compound and / or the zeolite-like compound is contained in a spatially separate, further catalytically active coating ,
  • the mixed oxide is contained in at least one catalytically active coating applied thereto
  • the zeolite compound and / or the zeolite-like compound is contained in a spatially separate, further catalytically active coating
  • so-called "zone catalysts” in which the catalytically active coatings are designed as zones following one another in the flow direction of the exhaust gas on the support body ( Figure 1).
  • so-called “layered catalysts” may also be preferred, in which the catalytically active coatings are arranged on the support body as layers lying one above the other over the entire length of the component (FIG. 2).
  • FIGS. 1 and 2 show embodiments in which (A) is the coating containing the mixed oxide composition according to the invention, while (B) is the coating which is spatially separated therefrom and which comprises the zeolite compound and / or zeolite-like compound contains.
  • Embodiments according to FIG. 1 a) or FIG. 2 a), in which the coating containing the mixed oxide composition first comes into contact with the inflowing exhaust gas, are preferably used in applications with medium operating temperatures, in which a dynamic light-off behavior and rapid ignition With such an arrangement of the coatings, the maximum NO x conversion in the SCR reaction that is characteristic for the corresponding operating temperature can be achieved in the shortest possible time
  • the downstream zone in the flow direction of the exhaust gas or layer (B) containing the zeolite compound and / or the zeolite-like compound is used in such applications mainly to store unreacted ammonia in the first zone or layer and to break through by the first zone or layer Nitrogen oxides at operating points with particularly high ⁇ quantities and / or ge to provide characteristic NO x conversions and to catalyze the corresponding reaction.
  • Embodiments according to Figures 1 b) and 2b), in which the coating, which is the zeolite and / or the zeolite-like compound is contained, from the inflowing Exhaust gas is first contacted are preferred when a high ammonia storage is required to maintain the SCR reaction, for example, in very cold operating conditions (long cold start phases, low temperature applications), in which due to a low exhaust gas temperature level no urea can be metered.
  • An arrangement according to Figure 1 b) is further preferred in arrangements in which the SCR catalyst is exposed to very high exhaust gas temperatures.
  • the coating which contains the more age stable zeolite compounds and exhibits lower tendencies to overoxidize ammonia, is placed in the hotter upstream zone, while the downstream zone serves to complete the SCR reaction.
  • the catalytically active composition according to the invention is present in the form of a coating on a catalytically inert support body, it may be advantageous to add a binder to the coating in order to ensure improved adhesion of the catalytically active coating to the catalytically inert support body. This is especially true when metallic support bodies are used.
  • the binder is preferably selected from the group consisting of alumina, zirconia and silica. Silica is used in particular in the form of silica sol.
  • the mixed oxide of cerium oxide, zirconium oxide, rare earth sesquioxide and niobium oxide or the catalytically active composition according to the invention which additionally contains a zeolite compound and / or a zeolite-like compound, is particularly suitable for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides.
  • the catalysts which can be produced therefrom in the described manner are particularly suitable for purifying the exhaust gases of predominantly lean-burn internal combustion engines, as used, for example, in motor vehicles (diesel vehicles, predominantly lean-burn gasoline vehicles).
  • the preferred field of application of these catalysts is the selective catalytic reduction of nitrogen oxides in the exhaust gas of predominantly lean-burn internal combustion engines after the addition of ammonia as reducing agent to the exhaust gas to be purified, optionally in the form of a decomposable compound to ammonia.
  • zone catalysts wherein (A) represents the catalytically active coating containing the composition of ceria, zirconia, rare earth sesquioxide and niobium oxide, while (B) represents a spatially separated catalytically active coating comprising a zeolite compound and / or a zeolite-like compound contains;
  • a schematic section of a monolithic fürflußwaben redesign whose flow channels are separated by gas-impermeable walls on which the catalytically active coatings (A) and (B) are applied is shown schematically.
  • Embodiments of layered catalysts according to the invention wherein (A) represents the catalytically active coating containing the composition of cerium oxide, zirconium oxide, rare earth sesquioxide and niobium oxide, while (B) is one of spatially separated catalytically active coating comprising a zeolite compound and / or a zeolite-like compound contains;
  • a schematic section of a monolithic Siriflußwaben endeavor whose flow channels are separated by gas-impermeable walls on which the catalytically active coatings (A) and (B) are applied is shown schematically.
  • Nitrogen oxide conversions in the SCR reaction measured on a composition of 38 wt .-% Ce0 2 , 14.5 wt .-% Nb 2 0 5 , 4.5 wt .-% Nd 2 0 3 and 43 wt. % Zr0 2 freshly prepared (K1 (f)), after aging at 750 ° C / 16 h (K1 (A-1)) and after aging at 600 ° C / 200 h (K1 (A-2)).
  • FIG. 7 Difference of the NH 3 storage capacity between the fresh catalyst
  • K3 (f) and its thermally pretreated at 750 ° C for 16 hours K3 (A-1) and its thermally pretreated at 750 ° C for 16 hours (K3 (A-1)) compared to VK3 (f) / VK3 (A-1).
  • FIG. 8 Dynamic light-off behavior after NH 3 -dosing of the
  • FIG. 9 Dynamic light-off behavior after NH 3 -dosing of the
  • the mixed oxide compositions prepared in the Examples and Comparative Examples described below were suspended in water, ground and applied to a ceramic honeycomb body having a volume of 0.5 L and a cell number of 62 cells per square centimeter with a wall thickness of 0.17 mm. After calcination of the honeycomb body at 500 ° C for two hours in air, cylindrical cores were removed from the coated honeycomb body for testing in a model gas plant having a diameter of 25.4 mm and a length of 76.2 mm.
  • the testing was carried out in a laboratory model gas plant under the following conditions.
  • the nitrogen oxide concentrations of the model exhaust gas were detected after catalyst with a suitable analysis. From the known, metered nitrogen oxide contents, which were verified during conditioning at the beginning of the respective test run with a pre-catalyst exhaust gas analysis, and the measured nitrogen oxide contents after catalyst, the nitrogen oxide conversion, based on the ratio of NH 3 to NO, calculated over the catalyst for each temperature measuring point as follows:
  • a commercially available cerium-zirconium mixed oxide having a weight ratio of Ce0 2 : Zr0 2 of 1: 1, 1 and a Nd 2 0 3 content of 5.3 wt .-% was impregnated with an aqueous solution of ammonium niobium oxalate and at 500 ° C calcined for a period of 2 hours.
  • the mixed oxide composition according to the invention thus obtained consisted of 38% by weight of CeO 2 , 14.5% by weight of Nb 2 O s , 4.5% by weight of Nd 2 O 3 and 43% by weight of ZrO 2 . From the mixed oxide, a coating suspension was prepared and thus coated a catalytically inert honeycomb body.
  • the catalyst thus prepared was taken from three cores. From a first drill core (K1 (f)) the catalytic activity according to the previously described test routine in the freshly prepared state was investigated. A second core (K1 (A-1)) was thermally treated in nitrogen at 750 ° C for 16 hours in an oven in an atmosphere containing 10% by volume of oxygen and 10% by volume of steam in the presence of catalytic activity. A third core (K1 (A-2)) was also thermally treated prior to analysis of catalytic activity. He became, however subjected to a thermal treatment adapted to the SCR application in the diesel vehicle, ie a thermal treatment at 600 ° C.
  • Figure 3 shows the result of the investigations of the catalytic activity:
  • the catalyst according to the invention already exhibits a nitrogen oxide conversion of more than 97% at 250 ° C.
  • the temperature window between> 250 ° C. and 400 °
  • the nitrogen oxides are completely converted by ° C.
  • the conversion curves of the thermally pretreated drill cores also show that the catalyst according to the invention has a very, very high aging stability
  • the catalyst reaches after the shortened aging at high temperatures (750 ° C, K1 (A-1)) loss of sales in the low temperature range up to 250 ° C and reach ht above 300 ° C complete NO x conversion.
  • K1 (A-2) After prolonged aging at lower temperatures (K1 (A-2)), in contrast, in the low-temperature range up to 400 ° C. virtually no conversion degradation due to thermal aging can be observed. Aging of the catalyst under these conditions can only be observed by a faster drop in the NO x conversion curve in the high-temperature range above 400 ° C.
  • Example 2 Analogously to the procedure described in Example 1, a mixed oxide of the following composition was obtained: 38% by weight CeO 2 , 14.5% by weight Nb 2 O 5 , 4.5% by weight Y 2 O 3 and 43% by weight. -% Zr0 2 .
  • Example 2 From the mixed oxide, a coating suspension was prepared as indicated in Example 1 and thus coated a catalytically inert honeycomb body.
  • the catalyst thus obtained is hereinafter referred to as K2.
  • Example 1 As indicated in Example 1, here again, a second core (K2 (A-1)) was tested for 16 hours in an oven in an atmosphere containing 10% by volume of oxygen and 10% by volume of water vapor in nitrogen thermally treated at 750 ° C.
  • the catalytic performance of the inventive catalysts according to Examples 1 and 2 in the SCR reaction was compared with two prior art catalysts:
  • a commercial SCR catalyst was selected based on vanadium oxide, which contained a catalytically active coating consisting of V 2 0 5 , W0 3 , Ti0 2 and Si0 2 .
  • a second comparative catalyst according to WO 2008/051752 was prepared which comprises a catalytically active coating consisting of 15% by weight WO 3 , 46.75% by weight ZrO 2 , 27.2% by weight CeO 2 , 5, 1 wt .-% Y 2 0 3 and 5.95 wt .-% Nb 2 0 3 on a catalytically inert honeycomb body contained.
  • the catalyst was also sampled from two cores, one of which was tested as freshly prepared (VK2 (f)), and the second core (VK2 (A-1)) was placed in an oven in an atmosphere containing 10 for 16 hours prior to testing Vol .-% oxygen and 10 vol .-% steam in nitrogen at 750 ° C was thermally treated.
  • FIG. 4 shows a comparison of the NO x conversion powers of the freshly prepared catalysts K1 (f), VK1 (f) and VK2 (f).
  • the catalyst according to the invention shows the highest working temperature window with a complete NO x conversion in the range> 250 to 400 ° C.
  • the catalyst according to the invention by far the best NO x -Konvert ists excel in the low temperature range up to 250 ° C. In the temperature range above 450 ° C, a marked “kinking" of the NO x conversion curve is observed - a reaction behavior of the comparative catalyst according to WO 2008/051752 (VK2 (f)) corresponds.
  • FIG. 5 shows a comparison of the inventive catalyst K1 (A-2) aged at 600 ° C.
  • FIG. 6 shows a comparison of the inventive catalysts K1 (A-1) and K2 (A-1) aged at 750 ° C. (16 hours) with the correspondingly aged comparative catalyst VK2 (A-1) according to WO 2008/051752. While the activity of the comparative catalyst according to WO 2008/051752 has clearly collapsed (maximum of 86% NO x conversion at 400 ° C.), the catalysts according to the invention still still reach NO x after this hot thermal treatment in the temperature range between 300 and 400 ° C. Sales close to 100% and over 95%.
  • Example 1 a second core (VK3 (A-1)) was also tested for 16 hours in an oven in an atmosphere containing 10% by volume of oxygen and 10% by volume of steam in nitrogen thermally treated at 750 ° C.
  • a layered catalyst according to FIG. 2a was produced.
  • a catalyst obtained analogously to Comparative Example 3 (amount applied 150 g / l instead of 222 g / l) was provided with an additional coating by applying a coating suspension according to Example 1 in an amount of 70 g / l again by means of a conventional dipping method and was calcined.
  • the layered catalyst thus obtained is hereinafter referred to as K3.
  • a second core (K3 (A-1)) was tested for 16 hours in an oven in an atmosphere containing 10% by volume of oxygen and 10% by volume of water vapor in nitrogen thermally treated at 750 ° C.
  • the thermal stability of the NH 3 storage capacity of K3 compared to VK3 was determined as follows:
  • test was carried out on supported catalysts in a laboratory model gas facility.
  • test gas compositions were adjusted:
  • Phase 1 empty memory, hold time 10 min (600 ° C)
  • Phase 2 cooling to target temperature (1 OK / min), hold time 5 min
  • Phase 3 NH 3 adsorption phase, holding time 20 min
  • Phase 5: heating to 600 ° C
  • the concentration is determined that leaves at padded memory the catalyst: c (NH 3) Ph3, e nd-
  • the stored amount of NH 3 at any time t is given by the difference between c (NH 3) Ph3, e nd and after the catalyst detected amount of NH 3 c (NH 3) 3 P, t:
  • a layered catalyst according to FIG. 2b) was produced.
  • the coating described in Example 2 was applied to a ceramic fürflußwaben redesign with 62 cells per square centimeter and a cell wall thickness of 0.17 millimeters in an amount of 70 g / L and calcined as described in Example 3 by a conventional dipping method.
  • a suspension containing an iron-containing ⁇ -zeolite was then applied to this coating in a quantity of 150 g / l by means of a conventional dipping process, dried and calcined as indicated in Comparative Example 3.
  • a zone catalyst according to FIG. 1a) was produced.
  • the coating described in Example 2 was applied to a ceramic fürflußwaben redesign with 62 cells per square centimeter and a cell wall thickness of 0.17 millimeters in an amount of 200 g / L, but starting from the entrance end face of the honeycomb body only 50% of its length.
  • the coating suspension described in Comparative Example 4 was then applied by a conventional dipping method, but starting from the exit end face of the honeycomb body to 50% of its length, i. up to the coating applied in the first step.
  • the zone catalyst thus obtained is referred to as K5.
  • a second core K5 (A-1) was also used in an oven for 16 hours prior to analysis of catalytic activity Atmosphere containing 10 vol .-% oxygen and 10 vol .-% steam in nitrogen at 750 ° C thermally treated.
  • Example 5 The process described in Example 5 was repeated with the difference that in the second step, instead of the coating suspension described in Comparative Example 4, the coating suspension described in Comparative Example 3 was applied.
  • the zone catalyst thus obtained is referred to as K6.
  • a second core (K6 (A-1)) was tested for 16 hours in an oven in an atmosphere containing 10% by volume of oxygen and 10% by volume of water vapor in nitrogen thermally treated at 750 ° C.
  • a coating suspension was prepared by suspending commercially available SAPO-34 in water and adding an aqueous copper (II) nitrate solution. The added amount of the copper nitrate solution was calculated such that the final catalyst contained 2% by weight of Cu based on the total weight of the exchanged zeolite-like compound.
  • the suspension was stirred for 30 minutes to complete the ion exchange, and then, after adding silica sol as a binder, directly to a ceramic flow honeycomb body of 62 cells per square centimeter and cell wall thickness of 0.165 millimeters, having a diameter of 92.96 millimeters and a length of 76 , 2 millimeters, applied.
  • the thus coated honeycomb body was dried at 90 ° C, calcined at 350 ° C and annealed for 2 hours at 640 ° in air.
  • the catalyst thus obtained is designated as VK4.
  • a second core VK4 (A-1) was also tested for 16 hours in an oven in an atmosphere containing 10% by volume of oxygen and 10% by volume of steam in nitrogen thermally treated at 750 ° C.
  • the dynamic light-off behavior after NH 3 dosing of the inventive catalysts K2 (A-1) and K6 (A-1), and of the comparative catalyst VK3 (A-1) was determined as follows:
  • test gas composition was adjusted:
  • phases A through D The test was conducted at different temperatures, which were tuned to the most application-relevant target temperature range for an SCR system downstream of other exhaust gas purification units in an exhaust system, namely 250 ° C, 300 ° C and 350 ° C. At each temperature, a cycle has been run through four distinct phases, hereafter referred to as phases A through D:
  • Phase A gas mixture 1; Duration: 5 minutes;
  • Phase B Nhb-SCR phase: gas mixture 2; Duration: up to a NHh breakthrough of 20 vppm or break-off by time;
  • Phase C gas mixture 3; Empty the NH3 storage tank by temperature ramp up
  • Phase D gas mixture 3; Adjustment of the next measurement temperature Within a cycle, the catalyst temperature was first adjusted to the defined target temperature. Then, the catalyst was charged with gas mixture 1 for 5 minutes (phase A). In Phase B, gas mixture 2 was switched to determine the Nhh-SCR conversion. This phase was terminated either by detection of an NH3 breakthrough of 20 Vppm or by a previously fixed time criterion ended. Then gas mixture 3 was adjusted and the catalyst heated to 500 ° C to empty the ammonia storage (Phase C). Subsequently, the catalyst was cooled down to the next temperature to be tested (phase D), the next cycle started with phase A by adjusting the gas mixture 1 after adjusting the target temperature. The dynamic NOx conversion was determined for all measurement temperatures from the concentrations of the respective exhaust gas components before and after the catalyst determined during phase B.
  • the NOx conversion X (NOx) is calculated, which results from the measured NOx concentration 5 seconds after the start of phase B.
  • FIG. 8 shows the determined characteristic numbers for K2 (A-1), K6 (A-1) and VK3 (A-1), in each case at 250 and 300X.
  • SCR catalysts with good properties are also obtained by replacing the mixed oxide described there in each case by one of the mixed oxides of Examples 7 to 13 in Examples 3 to 6.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung von Mischoxiden aus Ceroxid, Zirkonoxid, Seltenerdsesquioxid und Nioboxid als katalytisch aktives Material zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden mit Ammoniak oder einer zu Ammoniak zersetzlichen Verbindung im Abgas von überwiegend mager betriebenen Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen, sowie Zusammensetzungen bzw. Katalysatoren, die diese Mischoxide in Kombination mit Zeolithverbindungen und/oder zeolithähnlichen Verbindungen enthalten und die sich zur Entstickung von mageren Kraftfahrzeugabgasen in allen wesentlichen Betriebszuständen eignen.

Description

Neue Mischoxid-Materialien zur selektiven katalytischen Reduktion von
Stickoxiden in Abgasen
Beschreibung Die Erfindung betrifft die Verwendung von Mischoxiden als katalytisch aktives Material zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden mit Ammoniak oder einer zu Ammoniak zersetzlichen Verbindung als Reduktionsmittel im Abgas von überwiegend mager betriebenen Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen. Die Erfindung betrifft außerdem katalytisch aktive Zusammensetzungen umfassend ein Mischoxid und eine Zeolithverbbindung und/oder eine zeolithähnliche Verbindung, sowie verschiedene Ausführungsformen von Katalysatoren, die aus den genannten Mischoxiden bzw. Zusammensetzungen hergestellt werden.
Abgase von Kraftfahrzeugen mit einem überwiegend mager betriebenem Verbren- nungsmotor enthalten neben den üblichen Primäremissionen Kohlenmonoxid CO, Kohlenwasserstoffe HC und Stickoxide NOx einen relativ hohen Sauerstoffgehalt von bis zu 15 Vol.-%. Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe können durch Oxidation leicht unschädlich gemacht werden. Die Reduktion der Stickoxide zu Stickstoff ist wegen des hohen Sauerstoffgehaltes schwieriger.
Ein bekanntes Verfahren zur Entfernung von Stickoxiden aus Abgasen in Gegenwart von Sauerstoff ist das Verfahren der selektiven katalytischen Reduktion (SCR-Ver- fahren; Selective Catalytic Reduction) mittels Ammoniak an einem geeigneten Katalysator, kurz als SCR-Katalysator bezeichnet. Bei diesem Verfahren werden die aus dem Abgas zu entfernenden Stickoxide mit Ammoniak zu Stickstoff und Wasser umgesetzt. Das als Reduktionsmittel verwendete Ammoniak kann durch Eindosierung einer zu Ammoniak zersetzlichen Verbindung wie beispielsweise Harnstoff, Ammo- niumcarbamat oder Ammoniumformiat in den Abgasstrang und anschließende Hydrolyse verfügbar gemacht werden. Außerdem sind Abgasreinigungskonzepte für Kraft- fahrzeuge bekannt, in denen Ammoniak während einer fetten Betriebsphase des Motors an einem vorgeschalteten Katalysator, zum Beispiel einem Stickoxidspeicher- katalysator, als Sekundäremission erzeugt und im SCR-Katalysator bis zum Verbrauchszeitpunkt während der mageren Betriebsphasen zwischengespeichert wird. Der Einsatz in einem diskontinuierlich arbeitenden SCR-System, in dem das als Reduktionsmittel verwendete Ammoniak ausschließlich als Sekundäremission in der Abgasanlage erzeugt wird, erfordert SCR-Katalysatoren, deren Ammoniakspeicherfähigkeit ausreicht, um möglichst den gesamten Reduktionsmittelbedarf für die Abgasentstickung während der Magerphase vorzuhalten. Hierzu eignen sich insbesondere Zeolith-basierte SCR-Katalysatoren, wie sie aus zahlreichen Publikationen und Patentanmeldungen bekannt sind. Beispielsweise beschreibt die US 4,961 ,917 eine Methode zur Reduktion von Stickoxiden mit Ammoniak unter Verwendung eines Katalysators, der neben einem Zeolith mit definierten Eigenschaften Eisen und/oder Kupfer als Promotor enthält. Weitere SCR-Katalysatoren auf der Basis Übergangs- metall-ausgetauschter Zeolithe und Verfahren zur selektiven katalytischen Reduktion unter Verwendung solcher SCR-Katalysatoren sind beispielsweise beschrieben in der EP 1 495 804 A1 , der US 6,914,026 B2 oder der EP 1 147 801 B1. Für den Einsatz in Abgasreinigungsanlagen mit Dosiereinrichtungen für Harnstoff oder andere zu Ammoniak zersetzliche Verbindungen, die die kontinuierliche Versorgung des Systems mit Reduktionsmittel ermöglichen, ist es nicht erforderlich, dass der SCR- Katalysator eine große Ammoniakspeicherkapazität aufweist. Dementsprechend ist man bestrebt, den Einsatz Zeolith-basierter SCR-Katalysatoren zu vermeiden, da diese wegen der hohen Herstellungspreise für Zeolithverbindungen sehr teuer sind.
Hierfür eignen sich SCR-Katalysatoren, die Vanadiumoxid neben Titandioxid oder Wolframoxid oder Mischungen davon enthalten. Beispielsweise beschreibt die EP 0 385 164 B1 einen solchen Katalysator, der neben Titandioxid mindestens ein Oxid von Wolfram, Silizium, Bor, Aluminium, Phosphor, Zirkonium, Barium, Yttrium, Lanthan oder Cer, sowie mindestens ein Oxid von Vanadium, Niob, Molybdän, Eisen oder Kupfer enthält und der als Formkörper durch Verpressung beziehungsweise Extrusion der Komponenten gegebenenfalls nach Zusatz geeigneter Hilfsstoffe hergestellt wird. Die EP 1 153 648 A1 beschreibt einen strukturierten SCR-Katalysator, der unter einer Hydrolysekatalysator-Beschichtung eine Reduktionsbeschichtung enthält, deren Zusammensetzung der aus der EP 0 385 164 B1 bekannten Rezeptur entspricht. EP 0 246 859 beschreibt einen SCR-Katalysator, der Vanadium aufgebracht auf eine Mischung von Ceroxid und Aluminiumoxid enthält.
Ein wesentliches Problem bei der Verwendung der Vanadium-haltigen SCR-Kataly- satoren zur Reinigung der Abgase von Kraftfahrzeugen ist die mögliche Emission von flüchtigen, toxischen Vanadiumverbindungen bei höheren Abgastemperaturen, wodurch mit Beeinträchtigungen von Mensch und Umwelt gerechnet werden muß. Dementsprechend sinkt die Akzeptanz von Vanadium-haltigen Autoabgaskatalysatoren am Markt. Bemühungen, kostengünstige Vanadium-freie SCR-Katalysatoren zur Verfü- gung zu stellen, gibt es bereits seit längerem. So sind einige Mischoxid-Zusammensetzungen auf der Basis von Cer-Zirkon-Mischoxid und ihre Verwendung in der SCR- Reaktion im Stand der Technik bereits bekannt.
WO 2008/049491 offenbart homogene Cer-Zirkon-Mischoxide, welche 10 - 90 Gew.-% Ceroxid bezogen auf das Gesamtgewicht des Cer-Zirkon-Mischoxids enthalten und durch Einbringen von Schwefel oder einem Übergangsmetall ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Chrom, Molybdän, Wolfram oder Mischungen davon oder durch Kombinationen davon für die SCR-Reaktion aktiviert sind. Besonders bevorzugte Ausführungsformen dieser Mischoxide enthalten 0,02 bis 3 Gew.-% Schwefel und/oder 5 bis 15 Gew.-% Molybdän oder Wolfram und 0,5 bis 3 Gew.-% Eisen oder Kupfer, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Cer-Zirkon-Mischoxids. Zur Herstellung der SCR-aktiven Verbindungen werden besonders bevorzugt Cer-Zirkon-Mischoxide eingesetzt, die 45 - 55 Gew.-% Ce02 und 1 - 9 Gew.-% Selten-Erd-Oxid enthalten. EP 2 116 293 offenbart einen Vanadium-freien SCR-Katalysator, welcher Wolframoxid W03 und ein homogenes Cer-Zirkon-Mischoxid (Ce, Zr)02 enthält, wobei der Gehalt an Wolframoxid W03 zwischen 5 und 25 Gew.-%, der Gehalt des homogenen Cer-Zirkon- Mischoxides zwischen 50 und 95 Gew.-% liegen kann. Bevorzugt werden Cer-Zirkon- Mischoxide mit einem Gewichtsverhältnis von Ceroxid Ce02 zu Zirkonoxid Zr02 zwischen 0,67 und 1 ,5.
EP 2 072 120 offenbart ebenfalls einen temperaturstabilen Katalysator zur Reduktion von Stickoxiden in Gegenwart von Ammoniak, der 10 bis 30 Gew.-% Ceroxid und 5 bis 14 % Wolframoxid, sowie Zirkonoxid als komplexes Oxid enthält.
WO 2008/051752 offenbart einen NOx-Reduktionskatalysator, der ein Cer-Zirkon- basiertes Mischoxid der Formel CeaZrbRtAiMeOx enthält, worin R Wolfram oder Mangan und A Molybdän, Tantal oder Niob ist, gegebenenfalls auch Wolfram, falls R Mangan ist. M bezeichnet ein dreiwertiges Selten-Erd-Ion, bevorzugt ausgewählt aus Sm, Gd, Dy, Er, Yb, Ho, Er, Tm und Lu, nicht jedoch La oder Y. Das Mischoxid der genannten Zusammensetzung ist katalytisch aktiv und eignet sich zur selektiven kata- lytischen Reduktion von Stickoxiden mit Ammoniak. Es kann in einem entsprechenden Abgasnachbehandlungssystem entweder als wesentlicher Bestandteil der katalytisch aktiven Beschichtung eines SCR-Katalysators oder als Bestandteil der Beschichtung eines katalytisch aktiven Partikelfilters eingesetzt werden.
EP 0 277 765 offenbart ein Verfahren zur Entfernung von Stickoxiden aus dem Abgas von Dieselmotoren durch katalytische Reduktion über einem Wabenkörper-Katalysator, der als aktives Material 60 bis 95 Gew.-% eines Oxids ausgewählt aus Ti02, Zr02, (Ti, Zr)02, (Ti, Si)02 und (Ti, Zr, Si)02 enthält. Desweiteren enthält der Katalysator 0,5 bis 40 Gew.-% Vanadium-, Wolfram-, Molybdän-, Mangan-, Cer- und/oder Zinnoxid.
US 5,552,128 beschreibt ein Verfahren zur Umsetzung von Stickoxiden zu Stickstoff durch in Kontakt bringen der Stickoxide mit einem Reduktionsmittel in Gegenwart eines Katalysators, der die Reduktion der Stickoxide wirksam katalysiert. Der Katalysator besteht im wesentlichen aus Festsäurekomponenten umfassend ein Metalloxid der 4. Nebengruppe des Periodensystems der Elemente, das mit einem Oxyanion eines Metalls der 6. Nebengruppe modifiziert ist und weiterhin mindestens ein Metall ausgewählt aus der 1., der 5., der 7. oder der 8. Nebengruppe oder auch der 4. Haupt- gruppe des Periodensystems der Elemente enthält. Als Beispiele für entsprechende Katalysatoren nennt die Patentschrift mit Wolframat und Eisen modifiziertes Zirkonoxid; nur mit Wolframat modifiziertes Zirkonoxid; mit Wolframat und Cer modifiziertes Zirkonoxid; mit Wolframat und Nickel modifiziertes Zirkonoxid; mit Wolframat und Zinn modifiziertes Zirkonoxid und mit Wolframat, Eisen und Mangan modifiziertes Zirkonoxid.
US 2006/0228283 beschreibt ein Katalysatorsystem und ein Verfahren zur Verminderung von Stickoxiden in Abgasen durch Reduktion mit Kohlenwasserstoffen oder Sauerstoff-haltigen organischen Verbindungen. Es wird ein Katalysatorsystem aus einem Silber-haltigen Katalysator und einem „Modifizierungskatalysator" eingesetzt. Der„Modifizierungskatalysator" enthält ein„Modifizierungsoxid" ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Eisenoxid, Ceroxid, Kupferoxid, Manganoxid, Chromoxid, Lan- thanidoxide, Actinidoxide, Molybdänoxid, Zinnoxid, Indiumoxid, Rheniumoxid, Tantaloxid, Osmiumoxid, Bariumoxid, Calciumoxid, Strontiumoxid, Kaliumoxid, Kalziumoxid, Vanadiumoxid, Nickeloxid, Wolframoxid und Mischungen davon. Diese „Modifizie- rungsoxid" ist auf anorganischen Trägeroxiden aufgebracht, wobei mindestens eines sauer und bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Titan-Zirkon- Mischoxid, Zirkon-Aluminium-Mischoxid, sulphatisiertes Zirkonoxid, phosphatiertes Zirkonoxid, Wolfram-modifiziertes Zirkonmischoxid, Silizium-Aluminium-Mischoxid, Zeolith oder Mischungen davon.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, kostengünstige, Vanadium-freie SCR- Katalysatoren zur Verfügung zu stellen, die sich durch dynamisches Anspringverhalten bei zugleich alterungsstabiler Ammoniak-Speicherkapazität auszeichen und sich auch als Abgasreinigungsbauteile mit geringem Staudruck herstellen lassen.
Im Stand der Technik ist bekannt, dass ausgewählte, gegebenenfalls mit Seltenerd- sesquioxiden dotierte Cer-Zirkon-Mischoxide nach einer gezielten Aktivierung eine die selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden katalysierende Wirkung zeigen können. Die Erfinder haben nun überraschend festgestellt, dass die gezielte Vergesell- schaftung der vorstehend genannten Mischoxide mit Niob(V)-oxid (Nb205) zu einem Mischoxid aus Ceroxid, Zirkonoxid, Seltenerdsesquioxid und Nioboxid führt, welches ohne einen zusätzlichen Aktivierungsschritt eine hervorragende Aktivität bei zugleich hoher Alterungsstabilität in der SCR-Reaktion zeigt.
Solche Mischoxide sind in US 6,468,941 B1 beschrieben, werden dort aber nicht zur Katalyse der selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden verwendet, sondern als Sauerstoffionen leitende bzw. Sauerstoff speichernde Materialien in Dreiwegekatalysatoren.
Die vorliegende Erfindung betrifft demnach die Verwendung eines katalytisch aktiven Mischoxides bestehend aus Ceroxid, Nioboxid, Seltenerdsesquioxid und Zirkonoxid zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden.
Die erfindungsgemäße Verwendung erfolgt beispielsweise dergestalt, dass das Mischoxid in Form eines vollextrudierten, katalytisch aktiven Wabenkörpers in einem Katalysator enthalten ist. Insbesondere erfolgt die erfindungsgemäße Verwendung aber so, dass das Mischoxid in einer katalytisch aktiven Beschichtung enthalten ist, die auf einen katalytisch inerten Tragkörper aufgebracht ist, der zusammen mit der Beschichtung einen Katalysator bildet. Die Herstellung des erfindungsgemäß verwendeten Mischoxids kann mit einfachsten Mitteln erfolgen. So erhält man ein geeignetes komplexes Mischoxid beispielsweise durch Imprägnierung eines kommerziell erhältlichen Cer-Zirkon-Mischoxides, welches zur Stabilisierung mit Seltenerdsesquioxid dotiert ist, mit einer wässrigen Lösung einer in Wasser löslichen Niobverbindung und anschließende Kalzination des so erhaltenen (feuchten) Pulvers.
Bevorzugte erfindungsgemäß zu verwendende Mischoxide, die sich sehr gut zur Katalyse der selektiven Reduktion von Stickoxiden in mageren Abgasen eignen, weisen die folgende Zusammensetzung ihrer Komponenten, berechnet als Gewichtsanteile der primären Oxide, auf: 15 - 50 Gew.-% Ce02, 3 - 25 Gew.-% Nb205l 3 - 10 Gew.-% SE203 und Rest Zr02, worin SE für ein Seltenerdelement steht. Besonders bevorzugt enthalten die Mischoxide 25 - 45 Gew.-% Ce02, 3 - 20 Gew.-% Nb205l 3 - 10 Gew.-% SE203 und Rest Zr02, und ganz besonders bevorzugt 35 - 40 Gew.-% Ce02, 10 - 15 Gew.-% Nb205, 3 - 6 Gew.-% SE203 und Rest Zr02. Bevorzugt eingesetzte Seltenerdsesquioxide SE203 sind Seltenerdsesquioxide des Yttriums, des Ytterbiums, des Lanthans, des Praseodyms (als Pr6O = 4 Pr02 · Pr203), des Neodyms, des Samariums, des Terbiums und des Erbiums. Besonders bevorzugt eingesetzt werden Yttriumsesquioxid Y203 und Neodymsesquioxid Nd203.
Zum Einsatz in der katalytischen Abgasreinigung beispielsweise von Fahrzeugen mit überwiegend mager betriebenem Verbrennungsmotor werden die erfindungsgemäß zu verwendenden Mischoxide zum Beispiel zu einem mechanisch stabilen Katalysator verarbeitet.
Bevorzugte Ausgestaltungen eines solchen Katalysators erhält man durch Aufbringen mindestens einer katalytisch aktiven Beschichtung, die das erfindungsgemäß zu verwendende Mischoxid enthält, auf einen katalytisch inerten Tragkörper. Als katalytisch inerte Tragkörper kommen bevorzugt keramische oder metallische Durchflußwabenkörper, keramische Wandflußfiltersubstrate und keramische oder metallische Schaumstrukturen zum Einsatz. Desweiteren erhält man bevorzugte Ausgestaltungen des Katalysators, wenn aus dem erfindungsgemäß zu verwendenden Mischoxid durch Extrusion ein katalytisch aktiver, monolithischer Wabenkörper hergestellt wird. Diese Ausführungsformen zeichnen sich durch einen besonders geringen Staudruck aus. Zu ihrer Herstellung wird eine extrusionsfähige, pastöse Masse erzeugt, die neben der katalytisch aktiven Zusammensetzung gegebenenfalls Extrusionshilfsstoffe wie beispielsweise Bentonit, Böhmit, γ-Aluminiumoxid, Zirkonoxid oder auch herkömmliches Cer-Zirkon-Mischoxid enthält. Sowohl Verfahren zur Beschichtung von katalytisch inerten Tragkörpern als auch Verfahren zur Herstellung von katalytisch aktiven, monolithischen Wabenkörpern durch Extrusion gehören zum Stand der Technik und sind dem Fachmann bekannt.
Die derart hergestellten Katalysatoren zeigen hervorragende NOx-Konvertierungsraten im Temperaturbereich von 250°C bis 450°C. Sie zeichnen sich insbesondere durch eine hervorragende Alterungsstabilität unter hydrothermalen Bedingungen aus.
Eine weitere Eigenschaft dieser Katalysatoren, die für ihre Applikation zur Reinigung der Abgase von Fahrzeugen mit überwiegend mager betriebenem Verbrennungsmotor von besonderer Bedeutung ist, ist die hohe thermische Stabilität ihrer Ammoniak- Speicherkapazität. Zwar weisen sie eine im Vergleich zu Zeolith-basierten SCR- Katalysatoren um mindestens 30 % verringerte Ammoniak-Speicherkapazität auf, so dass sie weniger bevorzugt sind für den Einsatz in Passiv-SCR-Verfahren, in denen das als Reduktionsmittel genutzte Ammoniak nur während ausgewählter Betriebszustände an dafür geeigneten, vorgeschalteten Katalysatoren als Sekundäremission erzeugt wird. Diese geringe, für Aktiv-SCR-Verfahren jedoch vollkommen ausreichende Ammoniak-Speicherkapazität ist dafür nach thermischer bzw. nach hydrothermaler Alterung ausgesprochen stabil. Die Kombination dieser Eigenschaften bedingt ein dynamisches Anspringverhalten des Katalysators in der SCR-Reaktion nach Dosierung des Reduktionsmittels aus einer vom Motor unabhängigen Quelle (z.B. in Form von Harnstoffeinspritzung in den Abgasstrang) in allen wichtigen Betriebspunkten. Dadurch kann die Dosierstrategie für das Reduktionsmittel deutlich einfacher gestaltet werden, als bei den Systemen nach dem Stand der Technik, in denen beispielsweise ausschließlich Zeolith-basierte SCR-Katalysatoren zum Einsatz kommen.
Wird in der konkreten Anwendung ein höherer Ammoniakspeicher oder eine Verbrei- terung des Aktivitätstemperaturbereiches des oben beschriebenen Katalysators benötigt, so kann das erfindungsgemäß zu verwendende Mischoxid in Kombination mit einer Zeolithverbindung und/oder einer zeolithähnlicher Verbindung eingesetzt werden. Die vorliegende Erfindung betrifft demnach auch eine katalytisch aktive Zusammensetzung umfassend (i) ein Mischoxid bestehend aus Ceroxid, Nioboxid, Seltenerdsesquioxid und Zirkonoxid und (ii) eine Zeolithverbindung und/oder eine zeolithähnlichen Verbindung, welche austauschbare Kationen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus H+, NH4\ Fe2+, Fe3+, Cu+, Cu2+, Ag+ oder Mischungen davon enthält. Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus einen Katalysator, der dadurch gekennzeichnet ist, dass er (i) ein Mischoxid bestehend aus Ceroxid, Nioboxid, Seltenerdsesquioxid und Zirkonoxid und (ii) eine Zeolithverbindung und/oder eine zeolithähnlichen Verbindung, welche austauschbare Kationen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus H+, NH4 +, Fe2+, Fe3+, Cu+, Cu2+, Ag+ oder Mischungen davon enthält.
Bevorzugte erfindungsgemäße katalytisch aktive Zusammensetzungen und bevorzugte erfindungsgemäße Katalysatoren enthalten die oben als bevorzugt bzw. besonders bevorzugt bezeichneten Mischoxide.
Besonders bevorzugt enthält die Zeolithverbindung und/oder die zeolithähnliche Verbindung H+, Fe- und/oder Cu-Kationen. Die Zeolithverbindung und/oder die zeolithähnliche Verbindung selbst wird bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Zeolith beta, USY, ZSM-5, CHA, FER, ERI, SAPO-11 , SAPO-17, SAPO-34, SAPO-56, ALPO-11 , ALPO-17, ALPO-34 und ALPO-56, Besonders bevorzugt sind Zeolith beta, CHA, FER und SAPO-34.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Katalysators liegt das Mischoxid bestehend aus Ceroxid, Nioboxid, Seltenerdsesquioxid und Zirkonoxid in Form eines vollextrudierten, katalytisch aktiven Wabenkörpers vor und die Zeolithverbindung und/oder zeolithähnliche Verbindung ist in einer auf den Wabenkörper aufgebrachten katalytisch aktiven Beschichtung enthalten.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Katalysators liegt er als beschichteter inerter Tragkörper vor, wobei das Mischoxid in mindestens einer darauf aufgebrachten katalytisch aktiven Beschichtung enthalten ist, und die Zeolithverbindung und/oder die zeolithähnliche Verbindung in einer räumlich davon getrennten, weiteren katalytisch aktiven Beschichtung enthalten ist. Je nach Zielanwendung kann es besonders vorteilhaft sein, sogenannte„Zonenkatalysatoren" zu verwenden, in denen die katalytisch aktiven Beschichtungen als in Strömungsrichtung des Abgases horizontal aufeinander folgende Zonen auf dem Tragkörper ausgeführt sind (Figur 1 ). Ändern sich Betriebs- und Applikationsbedingungen des Katalysators, so können jedoch auch sogenannte „Schichtkatalysatoren" zu bevorzugen sein, in denen die katalytisch aktiven Beschichtungen als vertikal über die gesamte Länge des Bauteils übereinander liegende Schichten auf dem Tragkörper angeordnet sind (Figur 2). Welche konkrete Ausgestaltung des Katalysators zu wählen ist, um ein möglichst optimales Abgasreinigungsergebnis zu erzielen, hängt, wie schon erwähnt, von den Betriebsbedingungen des Katalysators in der Zielanwendung ab und sollte nach einer Evaluierung durch den Fachmann mit den ihm bekannten Standardmethoden festgelegt werden. In den Figuren 1 und 2 sind Ausführungsformen gezeigt, in denen (A) die Beschichtung ist, die die erfindungsgemäße Mischoxid-Zusammensetzung enthält, während (B) die davon räumlich getrennt aufgebrachte Beschichtung ist, die die Zeo- lithverbindung und/oder die zeolithähnliche Verbindung enthält.
Ausführungsformen entsprechend Figur 1 a) oder Figur 2a), in denen die Beschichtung, die die Mischoxidzusammensetzung enthält, mit dem anströmenden Abgas zuerst in Kontakt kommt, kommen bevorzugt in Anwendungen mit mittleren Betriebstemperaturen zum Einsatz, in denen ein dynamisches Anspringverhalten und ein schnelles„Zünden" des SCR-Katalysators von besonderer Bedeutung ist. Mit einer solchen Anordnung der Beschichtungen kann in kürzester Zeit der für die entspre- chende Betriebstemperatur charakteristische maximale NOx-Umsatz in der SCR-Reak- tion erreicht werden. Die in Strömungsrichtung des Abgases nachgelagerte Zone bzw. Schicht (B), die die Zeolithverbindung und/oder die zeolithähnliche Verbindung enthält, dient in solchen Anwendungen vor allem dazu, in der ersten Zone bzw. Schicht nicht umgesetztes Ammoniak zu speichern und zur Reduktion von durch die erste Zone bzw. Schicht durchbrechenden Stickoxiden in Betriebspunkten mit besonders hohen ΝΟχ-Mengen und/oder geringen charakteristischen NOx-Umsätzen zur Verfügung zu stellen, sowie die entsprechende Reaktion zu katalysieren.
Ausführungsformen gemäß den Figuren 1 b) und 2b), in denen die Beschichtung, die den Zeolith und/oder die zeolithähnliche Verbindung enthalten ist, vom anströmenden Abgas zuerst kontaktiert wird, sind bevorzugt, wenn ein hoher Ammoniak-Speicher benötigt wird, um die SCR-Reaktion beispielsweise in sehr kalten Betriebspunkten (lange Kaltstartphasen; Niedertemperaturanwendungen) zu unterhalten, in denen aufgrund eines zu geringen Abgastemperaturniveaus kein Harnstoff dosiert werden kann. Eine Anordung gemäß Figur 1 b) wird desweiteren in Anordnungen bevorzugt, in denen der SCR-Katalysator sehr hohen Abgastemperaturen ausgesetzt wird. In diesem Fall wird die Beschichtung, die die zumeist alterungsstabileren Zeolithverbindungen enthält und geringere Neigungen zur Überoxidation von Ammoniak zeigt, in der heißeren an- strömseitigen Zone angeordnet, während die abströmseitige Zone zur Vervoll- ständigung der SCR-Reaktion dient.
Liegt die erfindungsgemäße katalytisch aktive Zusammensetzung in Form einer Beschichtung auf einem katalytisch inerten Tragkörper vor, so kann es vorteilhaft sein, der Beschichtung desweiteren einen Binder zuzusetzen, um eine verbesserte Haft- fähigkeit der katalytisch aktiven Beschichtung auf dem katalytisch inerten Tragkörper zu gewährleisten. Dies gilt im besonderen, wenn metallische Tragkörper verwendet werden. Der Binder wird bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid, Zirkonoxid und Siliciumdioxid. Siliciumdioxid wird insbesondere in Form von Silikasol eingesetzt.
Das erfindungsgemäß zu verwendenden Mischoxid aus Ceroxid, Zirkonoxid, Seltenerdsesquioxid und Nioboxid bzw. die erfindungsgemäße katalytisch aktive Zusammensetzung, die zusätzlich eine Zeolithverbindung und/oder eine zeolithähnlichen Verbindung enthält ist insbesondere geeignet zur selektiven kataly- tischen Reduktion von Stickoxiden. Die daraus in beschriebener Weise herstellbaren Katalysatoren eignen sich besonders gut zur Reinigung der Abgase von überwiegend mager betriebenen Verbrennungsmotoren, wie sie beispielsweise in Kraftfahrzeugen (Dieselfahrzeuge, überwiegend mager betriebene Benzinfahrzeuge) zum Einsatz kommen. Das bevorzugte Anwendungsfeld dieser Katalysatoren ist die selektive kata- lytische Reduktion von Stickoxiden im Abgas von überwiegend mager betriebenen Verbrennungsmotoren nach Zusatz von Ammoniak als Reduktionsmittel zum zu reinigenden Abgas, gegebenenfalls in Form einer zu Ammoniak zersetzlichen Verbindung.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger Figuren und Beispiele weitergehend erläutert. Es zeigen: Ausführungsformen erfindungsgemäßer Zonenkatalysatoren, wobei (A) die katalytisch aktive Beschichtung darstellt, die die Zusammensetzung aus Ceroxid, Zirkonoxid, Seltenerdsesquioxid und Nioboxid enthält, während (B) eine davon räumlich getrennte, katalytisch aktive Beschichtung darstellt, welche eine Zeolithverbindung und/oder eine zeolithähnliche Verbindung enthält; gezeigt wird schematisch ein Ausschnitt aus einem monolithischen Durchflußwabenkörper, dessen Strömungskanäle durch gasundurchlässige Wände getrennt sind, auf denen die katalytisch aktiven Beschichtungen (A) und (B) aufgebracht sind.
Ausführungsformen erfindungsgemäßer Schichtkatalysatoren, wobei (A) die katalytisch aktive Beschichtung darstellt, die die Zusammensetzung aus Ceroxid, Zirkonoxid, Seltenerdsesquioxid und Nioboxid enthält, während (B) eine davon räumlich getrennte, katalytisch aktive Beschichtung darstellt, welche eine Zeolithverbindung und/oder eine zeolithähnliche Verbindung enthält; gezeigt wird schematisch ein Ausschnitt aus einem monolithischen Durchflußwabenkörper, dessen Strömungskanäle durch gasundurchlässige Wände getrennt sind, auf denen die katalytisch aktiven Beschichtungen (A) und (B) aufgebracht sind.
Stickoxid-Umsätze in der SCR-Reaktion, gemessen an einer Zusammensetzung aus 38 Gew.-% Ce02, 14,5 Gew.-% Nb205, 4,5 Gew.-% Nd203 und 43 Gew.-% Zr02 in frisch hergestelltem Zustand (K1 (f)), nach Alterung bei 750°C / 16 h (K1 (A-1)) und nach Alterung bei 600°C / 200 h (K1(A-2)).
Stickoxid-Umsätze in der SCR-Reaktion an einem Katalysator K1 (f), einem kommerziellen Vanadiumoxid-basierten SCR-Katalysator VK1(f) und einem Vergleichskatalysator VK2(f) gemäß WO 2008/05 752 in frisch hergestelltem Zustand.
Stickoxid-Umsätze in der SCR-Reaktion an einem Katalysator K1 (A-2) und einem kommerziellen Vanadiumoxid-basierten Katalysator VK1 (A- 2), beide nach einer thermischen Vorbehandlung bei 600°C für die Dauer von 200 Stunden.
Stickoxid-Umsätze in der SCR-Reaktion an den Katalysatoren K1 (A-1) und K2(A-1), sowie einem Vergleichskatalysator VK2(A-1) gemäß WO 2008/051752, alle nach einer thermischen Vorbehandlung bei 750°C für die Dauer von 16 Stunden.
Figur 7: Differenz der NH3-Speicherkapazität zwischen dem frischen Katalysator
K3(f) und seiner bei 750°C für die Dauer von 16 Stunden thermisch vorbehandelten Version (K3(A-1 )) im Vergleich mit VK3(f) / VK3(A-1 ).
Figur 8: Dynamisches Anspringverhalten nach NH3 - Dosierung der
Katalysatoren K2(A-1), K6(A-1) und VK3(A-1), gemessen bei 250 und
300°C.
Figur 9: Dynamisches Anspringverhalten nach NH3 - Dosierung der
Katalysatoren K2(A-1), K5(A-1) und VK4(A-1), gemessen bei 250 und
350°C.
Untersuchung des Stickoxid-Umsatzes als Maß für die SCR-Aktivität:
Die in den nachstehend beschriebenen Beispielen und Vergleichsbeispielen herge- stellten Mischoxidzusammensetzungen wurden in Wasser suspendiert, gemahlen und auf einen keramischen Wabenkörper mit einem Volumen von 0,5 L und einer Zellzahl von 62 Zellen pro Quadratzentimeter bei einer Wandstärke von 0,17 mm aufgebracht. Nach Kalzination des Wabenkörpers bei 500°C für die Dauer von zwei Stunden in Luft wurden dem beschichteten Wabenkörper zylinderförmige Bohrkerne für die Testung in einer Modellgasanlage mit einem Durchmesser von 25,4 mm und einer Länge von 76,2 mm entnommen.
Die Testung erfolgte in einer Labor-Modellgasanlage unter den folgenden Bedingungen.
Zusammensetzung des Modellgases
NO [Vol.-ppm]: 500
NH3 [Vol.-ppm]: 450
02 [Vol.-%]: 5
H20 [Vol.-%] 1 ,3
N2: Rest
Allgemeine Testbedingungen
Raumgeschwindigkeit [h"1]: 30.000 Temperatur [°C]: 500; 450; 400; 350; 300; 250; 200; 175; 150
Konditionierung vor Meßbeginn: Modellgas-Atmosphäre; 600°C; einige Minuten
Während der Messung wurden die Stickoxid-Konzentrationen des Modellabgases nach Katalysator mit einer geeigneten Analytik erfasst. Aus den bekannten, dosierten Stickoxid-Gehalten, die während der Konditionierung zu Beginn des jeweiligen Prüflaufs mit einer Vor-Katalysator-Abgasanalytik verifiziert wurden, und den gemessenen Stickoxid- Gehalten nach Katalysator wurde der Stickoxid-Umsatz, bezogen auf das Verhältnis von NH3 zu NO, über den Katalysator für jeden Temperaturmeßpunkt wie folgt berechnet:
CAusgang (NOx) 1
Eingang (NOx) mit CEingang/AusgangfNOx) = CEin/Aus(NO) + .. . Die erhaltenen Stickoxid-Umsatz-Werte UNOx [%] wurden zur Beurteilung der SCR- Aktivität der untersuchten Materialien als Funktion der vor Katalysator gemessenen Temperatur aufgetragen.
Beispiel 1
Ein kommerziell erhältliches Cer-Zirkon-Mischoxid mit einem Gewichtsverhältnis von Ce02 : Zr02 von 1 : 1 ,1 und einem Nd203-Gehalt von 5,3 Gew.-% wurde mit einer wässrigen Lösung von Ammoniumnioboxalat imprägniert und bei 500°C für die Dauer von 2 Stunden kalziniert. Die derart erhaltene erfindungsgemäße Mischoxid-Zusammensetzung bestand aus 38 Gew.-% Ce02, 14,5 Gew.-% Nb2Os, 4,5 Gew.-% Nd203 und 43 Gew.-% Zr02. Aus dem Mischoxid wurde eine Beschichtungssuspension angefertigt und damit ein katalytisch inerter Wabenkörper beschichtet. Dem derart hergestellten Katalysator wurden drei Bohrkerne entnommen. Von einem ersten Bohrkern (K1 (f)) wurde die kata- lytische Aktivität gemäß der vorstehend beschriebenen Testroutine im frisch hergestellten Zustand untersucht. Ein zweiter Bohrkern (K1(A-1)) wurde vor der Untersuchung der katalytischen Aktivität für 16 Stunden in einem Ofen in einer Atmosphäre enthaltend 10 Vol.-% Sauerstoff und 10 Vol.-% Wasserdampf in Stickstoff bei 750°C thermisch behandelt. Ein dritter Bohrkern wurde (K1 (A-2)) wurde ebenfalls vor der Untersuchung der katalytischen Aktivität thermisch behandelt. Er wurde jedoch einer der SCR-Anwendung im Dieselfahrzeug angepassten thermischen Alterung unterzogen, d.h. einer thermischen Behandlung bei 600°C für die Dauer von 200 Stunden in einem mit 10 Vol.-% Sauerstoff und 10 Vol.-% Wasserdampf in Stickstoff durchströmten Ofen (mittlere Raumgeschwindigkeit: 2.200 h"1). Figur 3 zeigt das Ergebnis der Untersuchungen der katal tischen Aktivität. Im frisch hergestellten Zustand zeigt der erfindungsgemäße Katalysator bei 250°C bereits einen Stickoxid-Umsatz von mehr als 97 %. Im Temperaturfenster zwischen > 250°C und 400°C werden die Stickoxide vollständig umgesetzt. Erst ab 450°C tritt eine leichte Degradation des Umsatzes ein. Die Umsatzkurven der thermisch vorbehandelten Bohrkerne zeigen darüber hinaus, dass der erfindungsgemäße Katalysator eine sehr, sehr hohe Alterungsstabilität aufweist. Der Katalysator erreicht nach der verkürzten Alterung bei hohen Temperaturen (750°C; K1(A-1)) Umsatzeinbußen im Tieftemperaturbereich bis 250°C und erreicht erst oberhalb von 300°C vollständigen NOx-Umsatz. Nach einer längeren Alterung bei tieferen Temperaturen (K1 (A-2)) ist dagegen im Tieftemperaturbereich bis 400°C praktisch keine Umsatzdegradation infolge thermischer Alterung zu beobachten. Eine Alterung des Katalysators wird unter diesen Bedingungen lediglich durch ein schnelleres Abfallen der NOx-Umsatzkurve im Hochtemperaturbereich oberhalb von 400°C beobachtbar.
Beispiel 2
Analog zu der in Beispiel 1 angegebenen Verfahrensweise wurde ein Mischoxid folgender Zusammensetzung erhalten: 38 Gew.-% Ce02, 14,5 Gew.-% Nb205, 4,5 Gew.-% Y203 und 43 Gew.-% Zr02.
Aus dem Mischoxid wurde eine Beschichtungssuspension wie in Beispiel 1 angegeben angefertigt und damit ein katalytisch inerter Wabenkörper beschichtet. Der so erhaltene Katalysator wird nachfolgend als K2 bezeichnet.
Wie in Beispiel 1 angegeben wurde auch hier ein zweiter Bohrkern (K2(A-1)) vor der Untersuchung der katalytischen Aktivität für 16 Stunden in einem Ofen in einer Atmosphäre enthaltend 10 Vol.-% Sauerstoff und 10 Vol.-% Wasserdampf in Stickstoff bei 750°C thermisch behandelt. Die katalytische Leistung der erfindungsgemäßen Katalysatoren gemäß Beispielen 1 und 2 in der SCR-Reaktion wurde mit zwei Katalysatoren aus dem Stand der Technik verglichen:
Vergleichsbeispiel 1
Als erster Vergleichskatalysator wurde ein kommerzieller SCR-Katalysator auf Vanadiumoxid-Basis gewählt, der eine katalytisch aktive Beschichtung bestehend aus V205, W03, Ti02 und Si02 enthielt.
Aus dem kommerziellen Katalysator wurden zwei Bohrkerne entnommen, von denen ein Bohrkern im frisch hergestellten Zustand (VK1 (f)) getestet wurde, während der zweite Bohrkern (VK1 (A-2)) vor Testung einer thermischen Vorbehandlung unterzogen wurde bei 600°C für die Dauer von 200 Stunden in einem mit 10 Vol.-% Sauerstoff und 10 Vol.-% Wasserdampf in Stickstoff durchströmten Ofen (mittlere Raumgeschwindigkeit: 2.200 h"1).
Vergleichsbeispiel 2
Es wurde ein zweiter Vergleichskatalysator gemäß der WO 2008/051752 hergestellt, der eine katalytisch aktive Beschichtung bestehend aus 15 Gew.-% W03, 46,75 Gew.- % Zr02, 27,2 Gew.-% Ce02, 5,1 Gew.-% Y203 und 5,95 Gew.-% Nb203 auf einem katalytisch inerten Wabenkörper enthielt.
Dem Katalysator wurden ebenfalls zwei Bohrkerne entnommen, von denen ein Bohrkern im frisch hergestellten Zustand (VK2(f)) getestet wurde, während der zweite Bohrkern (VK2(A-1)) vor Testung für 16 Stunden in einem Ofen in einer Atmosphäre enthaltend 10 Vol.-% Sauerstoff und 10 Vol.-% Wasserdampf in Stickstoff bei 750°C thermisch behandelt wurde.
Figur 4 zeigt einen Vergleich der NOx-Konvertierungsleistungen der frisch hergestellten Katalysatoren K1 (f), VK1 (f) und VK2(f). Der erfindungsgemäße Katalysator zeigt mit einem vollständigen NOx-Umsatz im Bereich >250 bis 400°C das größte Arbeitstemperaturfenster. Außerdem weist der erfindungsgemäße Katalysator die mit Abstand beste NOx-Konvertierungsleistung im Tieftemperaturbereich bis 250°C auf. Im Temperaturbereich oberhalb von 450°C wird ein deutliches„Abknicken" der NOx-Um- satzkurve beobachtet - ein Reaktionsverhalten des dem Vergleichskatalysator gemäß WO 2008/051752 (VK2(f)) entspricht. Figur 5 zeigt einen Vergleich des bei 600°C (200 Stunden) gealterten erfindungsgemäßen Katalysators K1 (A-2) mit dem unter entsprechenden Bedingungen gealterten Vanadiumoxid-basierten, kommerziellen Katalysator. Der Vergleich der Konvertierungsleistungen nach Alterung zeigt, dass das Arbeitstemperaturfenster der erfindungsgemäßen Katalysators nach Alterung um ca. 50° zu geringeren Temperaturen verschoben ist, d.h. es wird eine erhebliche bessere NOx-Konversion im Tieftemperaturbereich bis 300°C und ein schnelleres Erreichen des Vollumsatzes bei zugleich etwas früher eintretender Degradation des Umsatzes beobachtet.
Figur 6 zeigt einen Vergleich der bei 750°C (16 Stunden) gealterten erfindungs- gemäßen Katalysatoren K1 (A-1) und K2(A-1) mit dem entsprechend gealterten Vergleichskatalysator VK2(A-1) gemäß WO 2008/051752. Während die Aktivität des Vergleichskatalysators gemäß WO 2008/051752 deutlich zusammengebrochen ist (max. 86 % NOx-Konvertierung bei 400°C), erreichen die erfindungsgemäßen Katalysatoren selbst nach dieser heißen thermischen Behandlung im Temperaturbereich zwischen 300 und 400°C noch immer NOx-Umsätze nahe 100 % bzw. über 95%.
Die Messungen zeigen, dass die erfindungsgemäßen Katalysatoren sowohl im Vergleich zu kommerziellen Vanadiumoxid-basierten SCR-Katalysatoren als auch im Vergleich zu Vanadium-freien Mischoxid-Zusammensetzungen nach dem Stand der Technik erheblich verbesserte Eigenschaften aufweist. Dies gilt insbesondere hinsichtlich der erreichbaren NOx-Konvertierungsraten, der Breite des Arbeitstemperaturfensters, in dem annähernd vollständiger Umsatz erreicht wird, und hinsichtlich der thermischen Alterungsstabilität des Katalysators. Vergleichsbeispiel 3
Es wurden ein kommerziell erhältlicher Si02-Binder und ein kommerziell erhältlicher Böhmit-Binder als Beschichtungshilfsstoffe, sowie Eisen(lll)-nitrat-nonahydrat und kommerziell erhältlicher ß-Zeolith mit einem molaren Si02/Al203-Verhältnis (SAR) von 25 in Wasser suspendiert und nach einem herkömmlichen Tauchverfahren auf einen keramischen Durchflußwabenkörper mit 62 Zellen pro Quadratzentimeter und einer Zellwandstärke von 0,17 Millimetern in einer Menge von 222 g/L aufgebracht. Das beschichtete Bauteil wurde zunächst für 15 Minuten bei 350°C, dann für die Dauer von 2 Stunden bei 500°C kalziniert. Die Beschichtung bestand zu 90% aus ß-Zeolith und hatte einen Eisengehalt, berechnet als Fe203, von 4,5 Gew.-%. Der so erhaltene Katalysator wird nachstehend als VK3 bezeichnet.
Wie in Beispiel 1 angegeben wurde auch hier ein zweiter Bohrkern (VK3(A-1 )) vor der Untersuchung der katalytischen Aktivität für 16 Stunden in einem Ofen in einer Atmosphäre enthaltend 10 Vol.-% Sauerstoff und 10 Vol.-% Wasserdampf in Stickstoff bei 750°C thermisch behandelt.
Beispiel 3
Es wurde ein Schichtkatalysator gemäß Figur 2a) hergestellt. Hierzu wurde ein analog Vergleichsbeispiel 3 erhaltener Katalysator (aufgebrachte Menge 150 g/L statt 222 g/L) mit einer zusätzlichen Beschichtung versehen, indem eine Beschichtungssuspension gemäß Beispiel 1 in einer Menge von 70 g/L wiederum im Wege eines herkömmlichen Tauchverfahrens aufgebracht und wie angegeben kalziniert wurde.
Der so erhaltene Schichtkatalysator wird nachfolgend als K3 bezeichnet.
Wie in Beispiel 1 angegeben wurde auch hier ein zweiter Bohrkern (K3(A-1 )) vor der Untersuchung der katalytischen Aktivität für 16 Stunden in einem Ofen in einer Atmosphäre enthaltend 10 Vol.-% Sauerstoff und 10 Vol.-% Wasserdampf in Stickstoff bei 750°C thermisch behandelt.
Die thermische Stabilität der NH3-Speicherkapazität von K3 im Vergleich zu VK3 wurde wie folgt bestimmt:
Der Test wurde an Trägerkatalysatoren in einer Labormodellgasanlage vorgenommen. Dabei wurde die folgende Testgaszusammensetzungen eingestellt:
Vor dem Test wird eine Feedgasmessung über Bypass durchgeführt. Gleichzeitig wird der Reaktor auf 600°C aufgeheizt. Danach wird die Gasmischung auf den Reaktor umgeschaltet und durchläuft die oben angegebenen Phasen 1 bis 6. Insgesamt werden drei verschiedene Zieltemperaturen angefahren: 400°C, 300°C und 200°C. Der gesamte Test läuft wie folgt ab:
Phase 1 : Speicher leeren, Haltezeit 10 min (600°C)
Phase 2: Abkühlen auf Zieltemperatur (1 OK/min), Haltezeit 5 min
Phase 3: = NH3-Adsorptionsphase, Haltezeit 20 min
Phase 4: = NH3-Desorptionsphase: NH3 abschalten, Haltezeit 20 min
Phase 5: = Aufheizen auf 600°C
Phase 6: = Speicher leeren: NO zuschalten, Haltezeit 10min
Wiederholung der Phasen 2 bis 6 bis zum letzten Temperaturpunkt. Danach
Gasmischung auf Bypass schalten, Aufnahme einer zweiter Feedgasmessung.
Zum Ende der Haltezeit in Phase 3 wird die Konzentration bestimmt, die bei aufgefülltem Speicher den Katalysator verlässt: c(NH3)Ph3, end- Die zu jedem Zeitpunkt t gespeicherte Menge NH3 ergibt sich aus der Differenz aus c(NH3)Ph3, end und nach dem Katalysator detektierter Menge NH3 c(NH3)P 3, t :
Δ c(NH3)Ph3i t = c(NH3)ph3i end - c(NH3)Ph3, f
Aus dem Integral der Auftragung Ac(NH3)Ph3i t gegen die Zeit t für die Phase 3 ergibt sich nach entsprechender Umrechnung der Konzentration c(NH3) in Masse m(NH3) die gesamte Speicherkapazität m(NH3) [mg/L Kat] für den betrachteten Temperaturpunkt. Die NH3-Speicherkapazität wird für die untersuchten Katalysator-Bohrkerne sowohl im frischen (f) als auch im gealterten Zustand (A-1) bestimmt. Als Maß für die thermische Stabilität der NH3-Speicherkapazität wird die Differenz der nach obigem Test bestimmten NH3-Speicherkapazitäten für jede Messtemperatur bestimmt:
Am(NH3) = m(NH3)frisch - m(NH3) gealtert Figur 7 zeigt die bei 200, 300 und 400°C erhaltenen Am-Werte von K3 und VK3. Wie daraus hervorgeht zeichnet sich K3 im Vergleich zu VK3 bei allen Temperaturen durch eine deutlich bessere thermische Stabilität der NH3-Speicherkapazität aus. Beispiel 4
Es wurde ein Schichtkatalysator gemäß Figur 2b) hergestellt. Hierzu wurde die in Beispiel 2 beschriebene Beschichtung nach einem herkömmlichen Tauchverfahren auf einen keramischen Durchflußwabenkörper mit 62 Zellen pro Quadratzentimeter und einer Zellwandstärke von 0,17 Millimetern in einer Menge von 70 g/L aufgebracht und wie in Beispiel 3 beschrieben kalziniert.
Auf diese Beschichtung wurde nunmehr eine einen Eisen-haltigen ß-Zeolithen enthaltende Suspension im Wege eines herkömmlichen Tauchverfahrens in einer Menge von 150 g/L aufgebracht, getrocknet und wie in Vergleichsbeispiel 3 angegeben kalziniert.
Zur Herstellung der einen Eisen-haltigen ß-Zeolithen enthaltenden Suspension wurde ein kommerziell erhältlicher Fe-Beta-Zeolith mit 1 ,3% Fe203 und SAR = 40 zusammen mit Al203 und Si02 basierten Bindern als Hilfsstoffe (0,8% AIOOH (Böhmit), 4% Si02 (amorph), 9% Si02 (Sol)) in Wasser suspendiert. Beispiel 5
Es wurde ein Zonenkatalysator gemäß Figur 1a) hergestellt. Hierzu wurde in einem ersten Arbeitsschritt die in Beispiel 2 beschriebene Beschichtung nach einem herkömmlichen Tauchverfahren auf einen keramischen Durchflußwabenkörper mit 62 Zellen pro Quadratzentimeter und einer Zellwandstärke von 0,17 Millimetern in einer Menge von 200 g/L aufgebracht, jedoch von der Eintrittsstirnfläche des Wabenkörpers ausgehend nur auf 50 % seiner Länge.
In einem zweiten Arbeitsschritt wurde dann die in Vergleichsbeispiel 4 beschriebene Beschichtungssuspension nach einem herkömmlichen Tauchverfahren aufgebracht, jedoch von der Austrittsstirnfläche des Wabenkörpers ausgehend auf 50 % seiner Länge, d.h. bis zu der im ersten Schritt aufgebrachten Beschichtung.
Der so erhaltene Zonenkatalysator wird als K5 bezeichnet.
Wie in Beispiel 1 angegeben wurde auch hier ein zweiter Bohrkern (K5(A-1)) vor der Untersuchung der katalytischen Aktivität für 16 Stunden in einem Ofen in einer Atmosphäre enthaltend 10 Vol.-% Sauerstoff und 10 Vol.-% Wasserdampf in Stickstoff bei 750°C thermisch behandelt.
Beispiel 6
Das in Beispiel 5 beschriebene Verfahren wurde wiederholt mit dem Unterscheid, dass im zweiten Arbeitsschritt an Stelle der in Vergleichsbeispiel 4 beschriebenen Be- schichtungssuspension die in Vergleichsbeispiel 3 beschriebene Beschichtungs- suspension aufgetragen wurde.
Der so erhaltene Zonenkatalysator wird als K6 bezeichnet.
Wie in Beispiel 1 angegeben wurde auch hier ein zweiter Bohrkern (K6(A-1)) vor der Untersuchung der katalytischen Aktivität für 16 Stunden in einem Ofen in einer Atmosphäre enthaltend 10 Vol.-% Sauerstoff und 10 Vol.-% Wasserdampf in Stickstoff bei 750°C thermisch behandelt.
Vergleichsbeispiel 4
Es wurde eine Beschichtungssuspension durch Suspendieren von kommerziell erhältlichem SAPO-34 in Wasser und Zugabe einer wässrigen Kupfer(ll)-nitratlösung hergestellt. Die zugegebene Menge der Kupfernitratlösung wurde so berechnet, das der fertige Katalysator 2 Gew.-% Cu, bezogen auf das Gesamtgewicht der ausgetauschten zeolithähnlichen Verbindung, enthielt. Die Suspension wurde zur Vervollständigung des lonenaustausches 30 Minuten gerührt und dann nach Zugabe von Silica-Sol als Binder direkt auf einen keramischen Durchflußwabenkörper mit 62 Zellen pro Quadratzentimeter und eienr Zellwandstärke von 0,165 Millimetern, der einen Durchmesser von 92,96 Millimeter und eine Länge von 76,2 Millimeter aufwies, aufgebracht. Der so beschichtete Wabenkörper wurde bei 90°C getrocknet, bei 350°C kalziniert und 2 Stunden bei 640° an Luft getempert.
Der so erhaltene Katalysator wird als VK4 bezeichnet. Wie in Beispiel 1 angegeben wurde auch hier ein zweiter Bohrkern (VK4(A-1)) vor der Untersuchung der katalytischen Aktivität für 16 Stunden in einem Ofen in einer Atmosphäre enthaltend 10 Vol.-% Sauerstoff und 10 Vol.-% Wasserdampf in Stickstoff bei 750°C thermisch behandelt. Das dynamische Anspringverhalten nach NH3-Dosierung der erfindungsgemäßen Katalysatoren K2(A-1) und K6(A-1 ), sowie des Vergleichskatalysators VK3(A-1 ) wurde wie folgt bestimmt:
Der Test wurde an Trägerkatalysatoren in einer Labormodellgasanlage vorgenommen. Dabei wurde die folgende Testgaszusammensetzung eingestellt:
Der Test wurde bei verschiedenen Temperaturen durchgeführt, die auf den anwendungsrelevantesten Zieltemperaturbereich für ein SCR-System, das in einer Abgasanlage anderen Abgasreinigungsaggregaten nachgeschaltet ist, abgestimmt waren, nämlich bei 250°C, 300°C und 350°C. Bei jeder Temperatur wurde ein Zyklus aus vier unterschiedlichen Phasen durchlaufen, die nachfolgend als Phasen A bis D bezeichnet werden:
Phase A: Gasmischung 1 ; Dauer: 5 Minuten;
Phase B: Nhb-SCR-Phase: Gasmischung 2; Dauer: bis zu einem NHh-Durchbruch von 20 Vppm oder Abbruch nach Zeit;
Phase C: Gasmischung 3; Leeren des NH3-Speichers durch Temperaturrampe bis
500°C;
Phase D: Gasmischung 3; Einregeln der nächsten Messtemperatur Innerhalb eines Zyklus wurde zuerst die Katalysatortemperatur auf die definierte Zieltemperatur eingeregelt. Dann wurde der Katalysator für 5 Minuten mit Gasmischung 1 beaufschlagt (Phase A). In Phase B wurde auf Gasmischung 2 umgeschaltet, um den Nhh-SCR-Umsatz zu ermitteln. Diese Phase wurde entweder bei Detektion eines NH3-Durchbruchs von 20 Vppm abgebrochen oder durch ein zuvor festgelegtes Zeitkriterium beendet. Dann wurde Gasmischung 3 eingestellt und der Katalysator auf 500°C aufgeheizt, um den Ammoniakspeicher zu entleeren (Phase C). Anschließend wurde der Katalysator auf die nächste zu untersuchende esstemperatur heruntergekühlt (Phase D), der nächste Zyklus begann mit Phase A durch Einstellen der Gasmischung 1 nach Einregeln der Zieltemperatur. Der dynamische NOx-Umsatz wurde für alle Messtemperaturen aus den während Phase B ermittelten Konzentrationen der entsprechenden Abgaskomponenten vor und nach Katalysator ermittelt.
Als Kennzahl für ein dynamisches Anspringverhalten wird der NOx-Umsatz X(NOx) berechnet, der sich aus der gemessenen NOx Konzentration 5 Sekunden nach Beginn der Phase B ergibt. Figur 8 zeigt die ermittelten Kennzahlen für K2(A-1), K6(A-1) und VK3(A-1 ), jeweils bei 250 und 300X.
Das frühere Anspringverhalten der erfindungsgemäßen Katalysatoren K2(A-1 ) und K6(A-1) zeigt sich in dem bereits nach 5 Sekunden deutlich höheren NOx-Umsatz X(NOx) im Vergleich zu VK3(A-1 ).
In analoger Weise wurde auch das dynamische Anspringverhalten nach NH3- Dosierung der erfindungsgemäßen Katalysatoren K2(A-1 ) und K5(A-1), sowie des Vergleichskatalysators VK4(A-1) bestimmt, wobei allerdings die Kennzahlen bei 250 und 350°C ermittelt wurden. Die Ergebnisse sind Figur 9 zu entnehmen. K2(A-1 ) und K5(A-1) zeichnen sich durch ein früheres Anspringverhalten im Vergleich zu VK4(A-1) aus.
Analog zu den vorstehenden Beispielen 1 und 2 können auch die in den nachfolgenden Beispielen 7 bis 13 beschriebenen Mischoxide bzw. diese enthaltende Katalysatoren erhalten werden. Sie zeichnen sich ebenfalls durch gute Eigenschaften als SCR-Katalysatoren aus:
CeOz Nb205 SE2Oz/ Zr02
Beispiel
[Gew.-%] [Gew.-%] [Gew.-%] [Gew.-%]
7 38 14,5 La203/4,5 43
8 25 15 YzOa/I O 50
9 45 15 Nd2O3/10 30
10 45 3 Nd203/9 43
1 1 40 15 Y203/3 42
SCR-Katalysatoren mit guten Eigenschaften werden auch erhalten, wenn man in den Beispielen 3 bis 6 das dort jeweils beschriebene Mischoxid durch eines der Mischoxide der Beispiele 7 bis 13 ersetzt.

Claims

Patentansprüche
Verwendung eines katalytisch aktiven Mischoxides bestehend aus Ceroxid, Nioboxid, Seltenerdsesquioxid und Zirkonoxid zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden.
Verwendung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Mischoxid aus Ce02: 15 - 50 Gew.-%;
Nb205: 3 - 25 Gew.-%;
SE203: 3 - 10 Gew.-%;
Zr02: Rest,
jeweils berechnet als primäre Oxide, besteht.
Verwendung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischoxid in einer katalytisch aktiven Beschichtung enthalten ist, die auf einen katalytisch inerten Tragkörper aufgebracht ist, der zusammen mit der
Beschichtung einen Katalysator bildet.
Katalytisch aktive Zusammensetzung umfassend (i) ein Mischoxid bestehend aus Ceroxid, Nioboxid, Seltenerdsesquioxid und Zirkonoxid und (ii) eine
Zeolithverbindung und/oder eine zeolithähnlichen Verbindung, welche
austauschbare Kationen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus H+, NH4 +, Fe2+, Fe3+, Cu\ Cu2+, Ag+ oder Mischungen davon enthält.
Katalysator enthaltend (i) ein Mischoxid bestehend aus Ceroxid, Nioboxid, Seltenerdsesquioxid und Zirkonoxid und (ii) eine Zeolithverbindung und/oder eine zeolithähnlichen Verbindung, welche austauschbare Kationen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus H+, NH4 +, Fe2+, Fe3+, Cu+, Cu2+, Ag+ oder Mischungen davon.
Katalysator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die
Zeolithverbindung und/oder die zeolithähnliche Verbindung ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Zeolith beta, USY, ZSM-5, CHA, FER, ERI, SAPO-11, SAPO-17, SAPO-34, SAPO-56, ALPO-11 , ALPO-17, ALPO-34 und ALPO-56.
Katalysator nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass er als beschichteter inerter Tragkörper vorliegt, wobei das Mischoxid in mindestens einer darauf aufgebrachten katalytisch aktiven Beschichtung enthalten ist, und die Zeolithverbindung und/oder die zeolithähnliche Verbindung in einer räumlich davon getrennten, weiteren katalytisch aktiven Beschichtung enthalten ist.
8. Katalysator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch
aktiven Beschickungen als in Strömungsrichtung des Abgases horizontal aufeinander folgende Zonen auf dem Tragkörper ausgeführt sind
(„Zonenkatalysator").
9. Katalysator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch
aktiven Beschichtungen als vertikal über die gesamte Länge des Bauteils übereinander liegenden Schichten auf dem Tragkörper angeordnet sind
(„Schi chtkatalysato r" ) .
10. Katalysator nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einer katalytisch aktiven Beschichtung ein Binder ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid, Zirkonoxid und Siliciumdioxid enthalten ist.
11. Verwendung eines Katalysators nach einem der Ansprüche 5 bis 10 zur Reinigung der Abgase von überwiegend mager betriebenen Verbrennungsmotoren.
12. Verwendung eines Katalysators nach einem der Ansprüche 5 bis 10 zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden im Abgas von überwiegend mager betriebenen Verbrennungsmotoren nach Zusatz von Ammoniak als Reduktionsmittel zum zu reinigenden Abgas, gegebenenfalls in Form einer zu Ammoniak zersetzlichen Verbindung.
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