EP2814605A1 - Platin/palladium-zeolith-katalysator - Google Patents

Platin/palladium-zeolith-katalysator

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EP2814605A1
EP2814605A1 EP13704792.4A EP13704792A EP2814605A1 EP 2814605 A1 EP2814605 A1 EP 2814605A1 EP 13704792 A EP13704792 A EP 13704792A EP 2814605 A1 EP2814605 A1 EP 2814605A1
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EP
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catalyst
catalytically active
active composition
washcoat
zeolite
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Withdrawn
Application number
EP13704792.4A
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Arno Tissler
Mika ENDLER
Patrick Müller
Grigory Reznikov
Florian WEILERMANN
Margit Schuschke
Andane Stein
Frank Klose
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Clariant Produkte Deutschland GmbH
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Publication date
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines bimetallischen Katalysators enthaltend Palladium und Platin auf einem zeolithischen Trägermaterial, einen durch das Verfahren erhältlichen bimetallischen Katalysator, sowie die Verwendung des Katalysators in der Oxidationskatalyse.

Description

Platin/Palladium-Zeolith-Katalysator
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Herstellung eines bimetallischen Katalysators enthaltend
Palladium und Platin auf einem zeolithischen Trägermaterial , einen durch das Verfahren erhältlichen bimetallischen
Katalysator, sowie die Verwendung des Katalysators in der Oxidationskatalyse .
Geträgerte Edelmetallkatalysatoren, bei denen verhältnismäßig kleine Edelmetallpartikel auf der Oberfläche eines festen Trägers abgeschieden sind, werden insbesondere in
Synthesechemischen und petrochemisehen Prozessen eingesetzt, um verschiedenste Edukte in gewünschte Zwischenprodukte oder Endprodukte umzusetzen bzw . um verschiedene Schnitte der
Erdö1aufarbeitung chemisch zu veredeln . Darüber hinaus werden geträgerte Edelmetallkatalysatoren insbesondere auch als
Oxidationskatalysatoren in der Abluftreinigung zur Oxidation meist organischer Verbindungen eingesetzt . Mit Edelmetall beladene Trägerkatalysatoren werden in der
Regel mittels eines mehrstufigen Verfahrens hergestellt . Dabei wird beispielsweise in einem ersten Schritt ein Trägermaterial mit einer EdelmetallSalzlösung des gewünschten Edelmetalls imprägniert . Nach dem Entfernen des Lösungsmittels vom
Trägermaterial in einem nachfolgenden Schritt wird dann in einem weiteren Schritt das Trägermaterial kalziniert , wobei das Edelmetall durch die thermische Behandlung in eine
metallische oder oxidische Form - oft Mischphasen aus beiden - überführt werden kann . In vielen Fällen ist die Oxidform bereits die katalytisch aktive Spezies, so dass der Katalysator in dieser Form verwendet werden kann . Es ist darüber hinaus möglich, die oxidischen Edelmetallspecies in einem weiteren Schritt , beispielsweise mittels Wasserstoff, Kohlenmonoxid oder nasschemischer Reduktionsmittel , in das hochdisperse Edelmetall der Oxidationsstufe 0 zu überführen, das ebenfalls als katalytisch aktive Spezies wirken kann .
Die Aktivität von geträgerten Edelmetallkatalysatoren ist in der Regel abhängig von der Größe der Edelmetall- bzw . - oxidpartikel . Die im Stand der Technik bekannten geträgerten Edelmetallkatalysatoren weisen den Nachteil auf, dass sie im Laufe ihres Einsatzes aufgrund einer Sinterung der Edelmetall¬ bzw . -oxidpartikel zu größeren Einheiten und einer damit einhergehenden Verringerung an katalytisch aktiver Oberfläche an Aktivität verlieren . Dabei ist die Geschwindigkeit dieses so genannten thermischen Alterungsprozesses abhängig von der Höhe der Temperatur, bei welcher der Katalysator eingesetzt wird . Und zwar nimmt mit steigender Einsat ztemperatur die Geschwindigkeit des genannten Alterungsprozesses zu, wofür vermutlich eine erhöhte Mobilität der Edelmetall-/
Edelmetalloxidpartikel auf der Trägermaterialoberfläche und eine damit einhergehende erhöhte Sinterungstendenz ursächlich ist .
Im Stand der Technik sind bereits Versuche unternommen worden, Edelmetallkatalysatoren herzustellen, die bei
Hochtemperaturanwendungen eine hohe Aktivität aufweisen und einem nur geringen thermischen Alterungsprozess unterliegen .
Die DE 10 2009 053 919 und DE 10 2009 053 944 offenbaren
Katalysatoren, bei denen sich das Edelmetall vorrangig in den Poren von Zeolithen befindet . Daraus resultiert eine sehr hohe Aktivität und Alterungsstabilität des Katalysators . Nachteilig ist die Notwendigkeit von hohen Kai z inier-Temperaturen von über 700 °C zur Zersetzung der verwendeten Su1fit-PreCursor- Verbindungen . Ein weiterer Nachteil dieser Katalysatoren ist darüber hinaus die geringe Schwefeltoleranz , die durch die Verwendung der Sulfit-Precursor-Verbindungen weiter vermindert wird . Zudem zeigen die im Stand der Technik bekannten, insbesondere Platin-haltigen Katalysatoren hinsichtlich der Oxidation von Alkanen eine zu geringe Aktivität . Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand deshalb in der Bereitstellung eines Katalysators , der bei Oxidations- Reaktionen, insbesondere bei der Oxidation von Alkanen, eine hohe Aktivität sowie eine hohe Alterungs- und
Schwefelbeständigkeit aufweist .
Die Aufgabe wurde gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines bimetallischen Katalysators umfassend die Schritte :
a ) Imprägnieren eines zeolithischen Trägermaterials mit schwefelfreien Pt- und Pd- VorläuferVerbindungen,
b) Trocknen des imprägnierten zeolithischen
Trägermaterials an Luft ,
c) Kai z inieren des imprägnierten und getrockneten
zeolithischen Trägermaterials unter Schutzgas .
Überraschenderweise wurde gefunden, dass sich gegenüber den im Stand der Technik bekannten Katalysatoren durch das
modifizierte Herstellungsverfahren bimetallische Pt/Pd- Zeolith-Katalysatoren herstellen lassen, die bei der
Oxidationsreaktion, insbesondere bei der Umsetzung von
Alkanen, eine gegenüber konventionellen KatalysatorSystemen doppelt so hohe Aktivität (bezogen auf den Palladium-Gehalt ) aufweisen, ohne dass es dabei zu einer Verschlechterung der Alterungs- und Schwefelbeständigkeit kommt . Im Sinne dieser Erfindung sind Schutzgase Gase oder Gas- Gemische, die als inerte schützende Atmosphäre verwendet werden und zur Vermeidung von unerwünschten chemischen
Reaktionen eingesetzt werden, beispielsweise um Sauerstoff und/oder Wasserstoff von empfindlichen Stoffen fernzuhalten . Als Schutzgase werden vorzugsweise Edelgase, z.B. Argon, Helium, Neon oder Stickstoff verwendet . Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Imprägnieren des zeolithischen Trägermaterials mit Pt- und Pd-VorläuferVerbindungen durch Imprägnieren des
Zeolithmaterials mit einer Lösung, die sowohl die Pt- als auch die Pd-VorläuferVerbindung enthält . Dadurch wird
gewährleistet , dass die Oberfläche des Zeolithmaterials weitgehend gleichmäßig mit den Pt- und Pd- VorläuferVerbindungen belegt wird . Die wesentlich gleichmäßige Belegung des Zeolithmaterials mit den Pt- und Pd- VorläuferVerbindungen bildet die Grundlage dafür, dass bei dem nachfolgenden Kalzinierschritt, der zur Zersetzung der Pt- und Pd-VorläuferVerbindungen führt , beziehungsweise bei
Überführung der MetallVerbindung in das entsprechende Metall bzw . in das Metalloxid, das Zeolithmaterial weitgehend
gleichmäßig mit den Pt- und Pd-Partikeln beladen wird .
Das Imprägnieren des zeolithischen Trägermaterials kann mit allen den Fachmann bekannten Methoden durchgeführt werden . Insbesondere bevorzugt erfolgt die Imprägnierung des
Zeolithmaterials gemäß der dem Fachmann bekannten „Incipient- Wetness"-Methode . Als Pt- und Pd-VorläuferVerbindung können beispielsweise Nitrate, Acetate, Oxalate, Tartrate, Formiate, Amine, Sulfide, Carbonate, Halogenide oder Hydroxide der entsprechenden Edelmetalle eingesetzt werden, wobei Nitrate bevorzugt sind . Die VorläuferVerbindungen sollen dabei im Wesentlichen schwefelfrei sein . Es kann im Sinne der Erfindung auch bevorzugt sein, dass die Pt- und die Pd- Vorläufer erbindungen das gleiche Anion, beispielsweise
Nitrat , aufweisen .
Das Trocknen des imprägnierten zeolithischen Trägermaterials erfolgt bevorzugt unterhalb des Zersetzungspunktes der Pt™ und Pd- VorläuferVerbindung . Das Trocknen findet bevorzugt an Luft statt . Trocknungstemperaturen liegen meist im Bereich von 50 bis 150 °C, bevorzugt 80 bis 120 °C.
Im Anschluß an das Trocknen erfolgt ein Kazinierschritt . Das Kalzinieren erfolgt vorzugsweise bei Temperaturen von 300 bis 600 °C, mehr bevorzugt bei 400 bis 550 °C . Die Kalzinierdauer beträgt vorzugsweise 1 bis 8 h, mehr bevorzugt 2 bis 6 h und insbesondere etwa 3-5 h.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Verfahren die weiteren Schritte : d) Herstellen eines Washcoats aus dem imprägnierten und kalzinierten zeolithischen Trägermaterial , e ) Beschichten eines Trägerkörpers mit dem Washcoat , f) Trocknen und Kalzinieren des beschichteten Trägerkörpers an Luft .
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird als Trägermaterial für die Imprägnierschritte ein zeolithisches Trägermaterial oder ein Zeolithmaterial eingesetzt . Diese beiden Begriffe werden im Rahmen der Erfindung synonym verwendet .
Unter einem Zeolithmaterial wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung gemäß einer Definition der International
Mineralogical Association (D.S. Coombs et al . , Can . Mineralogist , 35, 1997, 1571 ) eine kristalline Substanz mit einer durch ein Gerüst aus miteinander verbundenen Tetraedern charakterisierten Struktur verstanden . Dabei besteht jedes Tetraeder aus vier Sauerstoffatomen, die ein Zentralatom umgeben, wobei das Gerüst offene Hohlräume in Form von Kanälen und Käfigen enthält , die normalerweise von Wassermolekülen und Extragerüstkationen, welche ausgetauscht werden können, besetzt sind . Die Kanäle des Materials sind dabei groß genug, um GastVerbindungen den Zugang zu erlauben . Bei den
hydratisierten Materialien erfolgt die Dehydratisierung meistens bei Temperaturen unterhalb von etwa 400 °C und ist zum größten Teil reversibel .
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass das oben genannte Zeolithmaterial vorzugsweise ein mikroporöses oder ein mesoporöses
Zeolithmaterial ist . Dabei sollen unter den Begriffen
„mikroporöses Zeolithmaterial" und „mesoporöses
Zeolithmaterial" gemäß der Einteilung poröser Festkörper gemäß IUPAC (International Union of P re and Applied Chemistry) Zeolithmaterialien verstanden werden, deren Poren einen
Durchmesser von kleiner als 2 nm bzw . einen Durchmesser von 2 nm bis 50 nm aufweisen . Das in dem erfindungsgemäßen Verfahren einzuset zende
Zeolithmaterial kann vorzugsweise einem der nachstehenden Strukturtypen entsprechen: ABW, ACQ, AEI, AEL, AEN, AET, AFG,
AFI, AFN, AFO, AFR, AFS, AFT, AFX, AFY, AHT, ANA, APC, APD,
AST, ASV, ATN, ATO, Ä.TS ATT, ATV, AWO, AWW, BCT, BEA, BEC,
BIK, BOG, BPH, BRE, CAN, CAS, CDO, CFI, CGF, CGS CHA, CHI,
CLO, CON, CZP, DAC, DDR, DFO, DFT, DOH, DON, EAB, EDI, EMT,
EON, EPI, ERI, ESV, ETR, EUO, EZT , FAR, FAU, FER, FRA, GIS,
GIU, GME, GON, GOO, HEU, IFR, IHW, ISV, ITE, ITH, ITW, IWR,
IWV, IWW, JBW, KFI, LAU, LEV, LIO, LIT, LOS, LOV, LTA, LTL, LTN, MAR, MAZ, MEI, MEL, MEP, MER, MFI, MFS, MON, MOR, MOZ,
MSE, MSO, MTF, MTN, MTT, MTW, MWW, NAB, NAT, NES, NON, NPO,
NSI, OBW, OFF, OSI, OSO, OWE, PAR, PAU, PHI, PON, RHO, RON,
RRO, RSN, RTE, RTH, RUT, RWR, RWY, SAO, SAS, SAT, SAV, SBE,
SBS, SBT, SFE, SFF, SFG, SFH, SFN, SFO, SGT, SIV, SOD, SOS,
SSY, STF , STI, STT, SZR, TER, THO, TON, TSC, TUN, UEI, UFT,
UOZ, USI, UTL, VET, VFI, VNI, VSV, WEI, WEN, YUG und ZON, wobei Zeolithmaterlalien mit einem 12-Rmg-Porensystem (BEA, FAU) und besonders bevorzugt vom Strukturtyp Beta (BEA) sind Die vorstehende Dreibuchstabencode-Nomenklatur entspricht dabei der „IUPAC Commission of Zeolite Nomenclature" .
Erfindungsgemäß ebenfalls bevorzugt sind die Mitglieder mesoporöser Zeolithmaterialien der Familie, die in der
Literatur unter der Bezeichnung „MCM" zusammengefasst werden, wobei es sich bei dieser Bezeichnung nicht um einen bestimmten Strukturtypus handelt (vgl . http : / /www . iza- structure . org/databases ) . Erfindungsgemäß besonders bevorzugt sind mesoporöse Silikate, welche als MCM-41 oder MCM-48 bezeichnet werden . MCM-48 besitzt eine 3D-Struktur aus
Mesoporen, wodurch das katalytisch aktive Metall in den Poren besonders leicht zugänglich ist . MCM-41 ist ganz besonders bevorzugt und weist eine hexagonale Anordnung von Mesoporen mit einheitlicher Größe auf . Das MCM-41-Zeolithmaterial hat ein S1O2/AI2O3-M0IVerhältnis von vorzugsweise größer als 100, mehr bevorzugt von größer als 200 und am meisten bevorzugt von größer als 300. Weitere bevorzugte mesoporöse
Zeolithmaterialien, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können, sind solche, welche in der Literatur als MCM-1, MCM-2, MCM-3, MCM-4, MCM-5, MCM-9, MCM-10, MCM-14, MCM-22, MCM-35, MCM-37, MCM-49, MCM-58, MCM-61, MCM-65 oder MCM-68 bezeichnet werden . Welches zeolithische Trägermaterial oder Zeolithmaterial in dem erfindungsgemäßen Verfahren einzusetzen ist , hängt in erster Linie von dem Anwendungszweck des mittels des
erfindungsgemäßen Verfahrens herzustellenden Katalysators ab. Im Stand der Technik sind eine Vielzahl von Methoden bekannt , um die Eigenschaften von Zeolithmaterialien, wie
beispielsweise den Strukturtyp, den Porendurchmesser, den Kanaldurchmesser, die chemische Zusammensetzung, die
Ionenaustauschfähigkeit sowie Aktivierungseigenschaffen, auf einen entsprechenden Anwendungs zweck hin maßzuschneidern .
Das in dem erfindungsgemäßen Verfahren einzuset zende
Zeolithmaterial kann beispielsweise ein Silikat , ein
Aluminiumsilikat , ein Aluminiumphosphat , ein
Siliciumaluminiumphosphat , ein Metallaluminiumphosphat , ein Metallaluminiumphosphosilikat , ein Galliumaluminiumsilikat , ein Galliumsilikat , ein Boroaluminiumsilikat , ein Borsilikat , ein Titansilikat , ein Titano-Aluminiumphosphat (TAPO) oder ein Titano-Siliciumaluminiumphosphat (TAPSO) sein, wobei
Aluminiumsilikate und Titansilikate besonders bevorzugt sind .
Unter dem Begriff „Aluminiumsilikat" wird gemäß der Definition der International Mineralogical Association (D.S. Coombs et al . , Can . Mineralogist , 35, 1997, 1571 ) eine kristalline
Substanz mit Raumnet z struktur der allgemeinen Formel
Mn+ [ (AIO2 ) x ( S1O2 ) y] xH20 verstanden, die aus Si04/2~ und AIO4/2- Tetraedern aufgebaut ist , die durch gemeinsame Sauerstoffatome zu einem regelmäßigen dreidimensionalen Net zwerk verknüpft sind . Das Atomverhältnis von Si/Al = y/x beträgt immer
größer/gleich 1 gemäß der sogenannten „Löwenstein-Regel" , die das benachbarte Auftreten zweier benachbarter negativ
geladener AIO4/2-Tetraeder verbietet . Dabei stehen bei einem geringen Si/Al™Atomverhältnis zwar mehr Austauschplätze für Metalle zur Verfügung, der Zeolith wird jedoch zunehmend hydrophiler und thermisch instabiler .
Die oben genannten Zeolithmaterialien können im Rahmen der vorliegenden Erfindung sowohl in der Alkali-Form,
beispielsweise in der Na- und/oder K-Form, als auch in der Erdalkali-Form, Ammonium-Form oder in der H-Form in das
Verfahren eingesetzt werden . Darüber hinaus ist es auch möglich, das Zeolithmaterial in einer Mischform einzusetzen, beispielsweise in einer Alkali /Erdalkali-Mischform.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Katalysator, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde , wobei der Katalysator eine bimetallische katalytisch aktive
Zusammensetzung enthaltend Pt und Pd auf einem zeolithischen Trägermaterial enthält .
Bevorzugt weist die bimetallische katalytisch aktive
Zusammensetzung, also das mit Edelmetall beladene zeolithische Material , eine BET-Oberfläche von mehr als 400 m /g auf .
Die bimetallische katalytisch aktive Zusammensetzung weist vorzugsweise einen Pt-Gehalt von 0 , 2 bis 1 , 5 Gew . -%, bezogen auf die katalytisch aktive Zusammensetzung auf .
Ferner weist die bimetallische katalytisch aktive
Zusammensetzung vorzugsweise einen Pd-Gehalt von 0 , 8 bis 4 , 0 Gew . -%, bezogen auf die katalytisch aktive Zusammensetzung auf .
Die katalytisch aktive Zusammensetzung kann bevorzugt mit einem vorzugsweise silikatischen Binder zu einem Washcoat verarbeitet und als Washcoat-BeSchichtung auf einem Trägerkörper aufgebracht werden. Das Masseverhältnis Binder/katalytisch aktive Zusammensetzung beträgt hierbei 0,05-0,5, bevorzugt 0,1-0,3 und besonders bevorzugt 0, 15-0, 25, bezogen jeweils auf die Feststoffanteile von Binder und katalytisch aktiver Zusammensetzung .
Die katalytisch aktive Zusammensetzung kann ebenfalls als Vollkatalysator ausgebildet sein, beispielsweise als Extrudat eines mit Edelmetall beschichteten Zeolithen .
Der Katalysator in Form eines Beschichtungskatalysators oder eines Vollkatalysators weist darüber hinaus 0 , 5 bis 3 , 0 Gew . -% Pt , bevorzugt 0,15 bis 1,45 Gew . -% Pt sowie 1 bis 5 Gew . -% Pt , bevorzugt 0 , 6 bis 3 , 8 Gew . -% Pd bezogen auf den
Feststoffanteil des Vollkatalysators oder des beschichteten Washcoats auf .
Das Pd/Pt-GewichtsVerhältnis in der bimetallischen katalytisch aktiven Zusammenset zung oder in der Washcoat-BeSchichtung liegt bevorzugt im Bereich von 6 : 1 bis 1 : 1 und besonders bevorzugt etwa 4 : 1 bis 2:1.
Dabei befindet sich das Pt und Pd im Wesentlichen in den Poren des zeolithischen Trägermaterials .
Pt und Pd liegen dabei vorzugsweise in Aggregaten von < 5 nm vor .
Die Edelmetall-Aggregatgroße/Clustergroße wird im Wesentlichen bestimmt durch die Größe der Porenkreuzungen . Im Fall des BEA- Zeolithen mit einem dreidimensionalen System aus Poren von max . 7, 7 Angström (0,77 nm) liegt der Durchmesser einer
Porenkreuzung bei ca. 12 Angström d.h. 1 , 2 nm .
Dies entspricht einer Clustergröße von ca. 100 Atomen . Gegenstand der Erfindung ist darüber hinaus die Verwendung des oben beschriebenen Katalysators als Oxidationskatalysator , insbesondere als Katalysator zur Oxidation von Alkanen, beispielsweise Ethan, Methan, Propan usw . aber auch von
Olefinen und Lösungsmitteldämpfen .
Die Erfindung wird nun anhand von Beispielen näher erläutert , wobei diese jedoch nicht einschränkend auf den Schutzumfang zu betrachten sind . Dabei wird zusätzlich auf die Figuren Bezug genommen .
Es zeigen : Figur 1 : das XRD-Spektrum eines erfindungsgemäß
hergestellten PtPd-BEA 150-Zeolithen
(unten) sowie des Vergleichsbeispiels 1 (oben) ; Figuren 2 und 3 IR-Spektren des erfindungsgemäßen PtPd- BEA150~Zeoliten, sowie des
Vergleichsbeispiels 1 nach CO-Chemisorpt ohne und mit Zudosierung von
Adamantancarbonitril ;
Figuren 4a, 4b: Performancedaten in der Oxidation von
Alkanen (Methan, Ethan) des
erfindungsgemäßen PtPd-BEAlSO-Zeoliten, sowie der Vergleichsbeispiele 1 und 2 , jeweils mit verschiedenen
Edelmetallbeladungen im Frischzustand
Figuren 5a, 5b: Performancedaten in der Oxidation
Alkanen (Methan, Ethan) des erfindungsgemäßen PtPd-BEA150-Zeoliten,
sowie des Vergleichsbeispiels 2 mit
verschiedenen Edelmetallbeladungen im Frischzustand, nach thermischer Alterung und nach Vergiftung mit SO2
Figuren 6a, 6b: Performancedaten in der Oxidation von
Ethylen und Ethylacetat des
erfindungsgemäßen PtPd-BEA150-Zeoliten, sowie des Vergleichsbeispiels 2 , jeweils frisch, nach thermischer Alterung und nach Vergiftung mit SO2
Figur 7 : Performancevergleich erfindungsgemäßer vs .
Vergleichskatalysator
Beispiel 1 :
Die erfindungsgemäßen Katalysatoren wurden in einem 2-Schritt- Prozess hergestellt . In einem ersten Schritt wurde ein BEA150- Zeolith mit einer Lösung von Platinnitrat und Palladiumnitrat mittel „Incipient Wetness"-Technologie beaufschlagt . Der beaufschlagte Zeolith wurde dann für 16 h unter Luft bei 90 °C getrocknet und anschließend 5 h bei 550 °C unter Argon kalziniert .
Vergleichsbeispiel 1 :
Als Vergleichsbeispiel 1 wurde ein BEA150-Zeolith in analoger Weise mit Platin- und Palladiumnitrat mittel „Incipient Wetness"-Technologie beaufschlagt bei 90 °C getrocknet und anschließend 5 h bei 550 °C unter Luft kalziniert . Tabelle 1 fasst die Eigenschaften der im Rahmen der Untersuchungen hergestellten Zeolithmuster ( erfindungsgemäße Rezeptur und Vergleichsbeispiel 1 ) zusammen .
Beispiel 2 : Herstellen eines Washcoats :
In einem zweiten Schritt wurden der erfindungsgemäße kalzinierte PtPd-Zeolith sowie der des Vergleichsbeispiels 1 mit Bindzil (Bindermaterial ) und Wasser zu einem Washcoat verarbeitet und dieser Washcoat dann auf Corderitwaben beschichtet . Die beschichteten Corderitwaben wurden mit Druckluft ausgeblasen, anschließend über Nacht bei 150 °C unter Luft getrocknet und abschließend 3 h bei 550 °C calziniert .
Tabelle 1 : PtPd-BEAl50-Zeolithe (Schritt 1)
Figur 1 zeigt das XRD-Spektrum eines erfindungsgemäßen nach obiger Vorschrift hergestellten PtPd-BEA150-Zeolithen, sowie das der Vergleichsrezeptur . Bei beiden Proben sind keine Reflexe für metallisches Pt und Pd vorhanden . Auch die Signale für Edelmetalloxide sind kaum detektierbar . Alle großen Reflexe enthalten fast ausschließlich Signalanteile des BEA150-Zeolithen . Es kann daraus geschlossen werden, dass sowohl Pt als auch Pd in für die Performance günstiger hochdisperser Form vorliegen. Das Fehlen von
Edelmetallagglomeraten > 5nm ist damit eindeutig nachgewiesen .
Die Figuren 2 und 3 zeigen die IR-Spektren des erfindungsgemäßen PtPd-BEA150-Zeoliten, sowie des
Vergleichsbeispiels 1 nach CO-Chemisorption ohne und mit Zudosierung von Adamantancarbonitril . Die Messung von IR- Spektren nach CO-Chemisorption ist eine weit verbreitete Technik zur Untersuchung der Natur und Dispersion von Edelmetallspezies in edelmetallhaltigen Katalysatoren . CO kann dabei Edelmetallspezies sowohl innerhalb als auch außerhalb der Poren erreichen und mit ihnen wechselwirken und auf diese Weise mittels IR-Spektroskopie auswertbare Signale generieren .
Nitrile wie Adamantancarbonitril gehen eine stärkere Wechselwirkung mit Edelmetallspezies ein und werden daher von diesen bevorzugt adsorbiert . Daher ist es möglich, mit Hilfe von Nitrilen Edelmetallspecies für die CO-Chemisorption zu maskieren . Nitrilmoleküle mit Durchmessern gleich oder größer als die Poren der Zeolithe können nicht in Zeolithporen eindringen und maskieren damit selektiv Edelmetallspezies außerhalb der Poren . Adamantancarbonitril hat einen Moleküldurchmesser > 0 , 6 nm. Dieser ist vergleichbar zu den Durchmessern der Porenöffnungen des BEA-Zeolithen (0,56-0,7 nm) , damit kann Adamantancarbonitril genut zt werden, um Edelmetallspezies außerhalb der Zeolithporen selektiv für die CO-Chemisorption zu maskieren . Die IR-Absorptionsbanden von
Adamantancarbonitril selbst stören dabei die IR- Absorptionsbanden der CO-Chemisorption auf Edelmtallspezies nicht . Für die im Folgenden beschriebenen IR-Untersuchungen wurden Proben des erfindungsgemäßen PtPd-BEA150-Zeolithen und des Vergleichsmusters 1 zunächst bei 1 CT6 mbar für 3 Stunden bei 400 °C entgast und danach für 30 min in der IR-Messezelle mit Wasserstoff reduziert . Danach wurden die Proben mit 20 mbar CO beaufschlagt und ein erstes IR-Spektrum aufgenommen . Anschließend wurde das CO durch Ausgasen bei 400 °C unter Vakuum für 30-60 min wieder entfernt . Nach dem Abkühlen wurde Adamantanecarbonitrildampf auf die Proben dosiert , um die Edelmetallspezies außerhalb der Zeolithporen zu maskieren, gefolgt von einer weiteren Beaufschlagung mit 20 mbar CO . Dann wurde das zweite IR-Spektrum aufgenommen . Die Differenz beider IR-Spektren zeigt jene Edelmetallspezies , die sich außerhalb der Zeolithporen befinden und sich daher durch Adamantanecarbonitrildampf maskieren lassen . Alle Spektren selbst wurden mit einem Thermo 4700 FTIR-Spektrokmeter mit einer Auflösung von 4 crrf1 aufgenommen .
Figur 2 zeigt die IR-Spektren der CO-Chemisorption des erfindungsgemäßen Pt-Pd-BEA150-Zeolithen, Abbildung 3 die des
Vergleichsbeispiels 1 , jeweils vor und nach selektiver Maskierung der Edelmetallspezies außerhalb der Zeolithporen mit Adamantanecarbonitril . Zu erkennen sind für beide Proben zunächst die beiden Hauptbanden um 2000 cm" (Pd zuordenbar ) und 2100 cnT1 (Pt zuordenbar ) . Beide Banden werden durch die Adamantanecarbonitril-Zugabe geschwächt , wobei die Schwächung beim erfindungsgemäßen Pt-Pd-BEA150-Zeolithen weniger ausgeprägt ist , als beim Vergleichsbeispiel 1. Dies heißt , beim erfindungsgemäßen Pt-Pd-BEA150-Zeolithen befinden sich mehr Edelmetallspezies in den Zeolthporen als beim
Vergleichsbeispiel 1. Ferner existiert beim Vergleichsbeispiel 1 bei 1900 cnT1 eine durch Adamantanecarbonitril-Zugabe nahezu vollständig maskierbare Absorptionsbande, die beim erfindungsgemäßen Pt-Pd-BEA150-Zeolithen nicht vorhanden ist . Auch bei höher beladenen („überladenen") PtPd--BEA150/Ar- Zeolithen kann die 1900 cm_i~Bande auftreten, beispielsweise bei 1,13 % Pt und 3,4 % Pd, nicht jedoch bei 0,92 % Pt/2,8 % Pd. Ersteres Material zeigt jedoch eine deutlich geringere Performance in der Alkanoxidat ion .
Tabelle 2 zeigt die daraus hergestellten Katalysatormuster (einschließlich Vergleichsmuster ) . In den Abbildungen 4a-c und 5a, 5b sind die erhaltenen Performancedaten zusammengefasst , gemessen in der gleichzeitigen Oxidat ion von 800 ppmv CO, 1000 ppmv Methan, 360 ppmv Ethan, 200 ppmv Ethylen und 180 ppmv Propan in einem Trägergas bestehend aus 10% Sauerstoff und 3% Wasser in Stickstoff . Die Messungen wurden bei einer GHSV von 40000 IT1 durchgeführt . Anschließend wurden die Katalysatormuster noch in der Oxidat ion von 200 ppmv Ethylacetat in Luft bei einer GHSV von 40000 IT1 getestet . Die Alterung wurde mit den Mustern der Frischtests durchgeführt , diese wurden 24 h bei 650 °C in einem Muffelofen behandelt und dann erneut getestet . Für die Verschwefelung wurden Frischmuster einer Mischung von 100 ppm SO2, 250 ppm C3H8 und 5 % H20 in Luft 125 h bei 500 °C ausgesetzt . Der Akt ivitätsverlust des EnviCat 50300 liegt in der Alkanoxidat ion typischerweise bei etwa 60-75 % unter diesen Bedingungen .
Wabennummer Pt [wt .-%] Pd [wt .-%]
PtPd~BEA150 1 0,13 0,39
Erfindungsgemäße 2 0,37 1,11
Rezeptur und
Katalysator
PtPd-BEA150 - 1 0,17 0,49
Vergleichsbeipiel 1 2 0.70 2.1 Vergleichsbeispiel 2 1 0,35 1 ,05
(EnviCat 50300) 2 0,62 1 ,85
Tabelle 2 : Hergestellte PtPd-BEAl50-Zeolith-Katalysatormuster
(Schritt 2) und Vergleichsmuster
Die in Figur 4a, 4b und 5a, 5b dargestellten Daten zeigen, dass die Katalysatorwaben basierend auf der erfindungsgemäßen Rezeptur eine gegenüber dem Vergleichsbeispiel 2 (Envicat 50300) deutlich erhöhte Performance in der Alkanoxidation aufweisen, wobei ein vergleichbares Umsatzniveau bei der erfindungsgemäßen Rezeptur mit nur halbem Edelmetallgehalt im Vergleich zum Envicat 50300 erreicht wird . Dies gilt für frische, gealterte und Schwefelvergiftete Katalysatormuster . Vergleichsbeispiel 1 zeigt hingegen kaum eine signifikante Aktivität . Wie in Figuren 6a und 6b zu erkennen ist , sind die Vorteile der erfindungsgemäßen Katalysatoren auch in der Oxidation von Ethylacetat gegeben . Bei der Oxidation von Ethylen zeigen erfindungsgemäße und Vergleichskatalysatoren eine in etwa identische Performance . Weitere Ergebnisse sind in der Figur 7 dargestellt . Dabei wurde der Methan-Umsatz verschiedener erfindungsgemäßer uns bekannter Katalysatoren verglichen : a) einer PtPd-BEAl 50-Wabe , bei der das Edelmetall-Zeolith- Pulver an Luft kalziniert wurde (BEEZ 00664-1) ;
b) einer PtPd-BEAl 50-Wabe , die zuerst an Luft kalziniert und anschließend für fünf Stunden bei 500 °C mit einer Mischung von ca. 1 % Wasserstoff in Stickstoff behandelt wurde (BEEZ 00664-3,
c) und zweier erfindungsgemäßen Argon-kalzinierten PtPd-
BEA150-Waben mit vergleichbarem Edelmetallgehalt (BEEZ 00387-2) und mit deutlich geringerem Edelmetallgehalt (BEEZ 00812-1) gegenüber den Vergleichsbeispielen.
Wie deutlich zu erkennen ist , beeinflusst die Wasserstoff- Reduzierung die Aktivität nur unwesentlich . Es ist nicht möglich, durch Reduktion einen an Luft-kal z inierten Katalysator mit geringer Methan-Oxidationsaktivität in einen mit hoher Methan-Oxidationsaktivität , wie die erfindungsgemäßen Argon-kal z inierten Varianten, umzuwandeln .

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Herstellung eines bimetallischen
Katalysators umfassend die Schritte : a) Imprägnieren eines zeolithischen Trägermaterials mit schwefelfreien Pt- und Pd-
Vorläufer erbindungen,
b) Trocknen des imprägnierten zeolithischen
Trägermaterials an Luft ,
c ) Kai z inieren des imprägnierten und getrockneten
zeolithischen Trägermaterials unter Schutzgas .
Verfahren gemäß Anspruch 1 , wobei als Pt™ und Pd- Vorläufer erbindungen Lösungen der Nitrate verwendet wird .
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Kalzinieren bei Temperaturen von 350 bis 650 °C erfolgt .
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 , wobei das Trocknen des imprägnierten zeolithischen Trägermaterials unterhalb des Zersetzungspunktes der Pt- und Pd- VorläuferVerbindungen erfolgt .
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 umfassend die weiteren Schritte : d) Herstellen eines Washcoats aus dem imprägnierten und kalzinierten zeolithischen Trägermaterial , e ) Beschichten eines Trägerkörpers mit dem Washcoat , f) Trocknen und Kalzinieren des beschichteten
Trägerkörpers an Luft .
6. Verfahren gemäß Anspruch 5 , wobei das Kalzinieren bei
Temperaturen von 300 bis 600 °C erfolgt.
7. Katalysator hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 , wobei der Katalysator eine
bimetallische katalytisch aktive Zusammensetzung
enthaltend Pt und Pd auf einem zeolithischen
Trägermaterial enthält .
8. Katalysator gemäß Anspruch 7 , wobei die bimetallische katalytisch aktive Zusammensetzung eine BET-Oberfläche von mehr als 400 m /g aufweist .
9. Katalysator gemäß einem der Ansprüche 7 oder 8 , wobei die bimetallische katalytisch aktive Zusammensetzung einen Pt-Gehalt von 0 , 2 bis 1 , 5 Gew . -%, bezogen auf die
katalytisch aktive Zusammensetzung aufweist .
10. Katalysator gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9 , wobei die bimetallische katalytisch aktive Zusammensetzung einen Pd-Gehalt von 0 , 8 bis 4 , 0 Gew . -%, bezogen auf die
katalytisch aktive Zusammensetzung aufweist .
11. Katalysator gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10 , wobei die katalytisch aktive Zusammensetzung als Washcoat-
BeSchichtung auf einem Trägerkörper aufgebracht ist .
12. Katalysator gemäß Anspruch 11 , wobei der Katalysator 0,5 bis 3 Gew . -% Pt bezogen auf den beschichteten Washcoat aufweist .
13. Katalysator gemäß Anspruch 11 oder 12, wobei der Katalysator 1 bis 5 Gew . -% Pd bezogen auf den
beschichteten Washcoat aufweist .
14. Katalysator gemäß einem der Ansprüche 7 bis 13 , wobei die bimetallische katalytisch aktive Zusammensetzung oder die Washcoat-BeSchichtung ein Pd/Pt-GewichtsVerhältnis von
6 : 1 bis 1 : 1 aufweist .
15. Katalysator gemäß einem der Ansprüche 7 bis 14, wobei sich das Pt und Pd im Wesentlichen in den Poren des zeolithischen Trägermaterials befindet .
16. Katalysator gemäß einem der Ansprüche 7 bis 15, wobei das Pt und Pd in Aggregaten von < 5 nm vorliegt .
17. Verwendung eines Katalysators nach einem der Ansprüche 7 bis 16 als Oxidationskatalysator .
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