ES2641241T3 - Preparación de catalizador de oxidación para motores diésel por medio de deposición de nanopartículas coloidales - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para preparar un catalizador, que comprende al menos las etapas de: (1) añadir un agente protector a una disolución acuosa de un precursor de metal para dar una mezcla (M1), (2) añadir un agente reductor a la mezcla (M1) para dar una mezcla (M2), en el que el agente reductor es un borohidruro de metal alcalino, (3) añadir un material de soporte a la mezcla (M2) para dar una mezcla (M3), (4) ajustar el pH de la mezcla (M3) hasta un valor en el intervalo de desde 2 hasta 7, (5) separar la fase sólida y líquida de la mezcla (M3).
Description
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DESCRIPCION
Preparacion de catalizador de oxidacion para motores diesel por medio de deposicion de nanopartlculas coloidales Campo de la invencion
Esta invencion se refiere a un metodo de produccion de un catalizador de metal precioso.
Antecedentes de la invencion
El gas de escape emitido a partir de un motor de combustion interna tal como un motor de automovil contiene monoxido de carbono (CO), hidrocarburos (HC), oxidos de nitrogeno (NOx), etcetera. Estas sustancias perjudiciales se purifican generalmente mediante un catalizador de purification de gas de escape en el que un componente de catalizador que consiste principalmente en un metal precioso tal como platino (Pt), rodio (Rh), paladio (Pd), iridio (Ir), etc., esta soportado por un soporte de oxido tal como alumina.
Para soportar el metal precioso del componente de catalizador sobre el soporte de oxido, se usa generalmente un metodo que implica las etapas de usar una disolucion de un compuesto de metal precioso opcionalmente modificado, que permite que el soporte de oxido se impregne con esta disolucion para dispersar el compuesto de metal precioso sobre la superficie del soporte de oxido, y secar en estufa el soporte de oxido. Se emplean generalmente materiales que tienen una elevada area superficial especlfica tal como gamma-alumina para el soporte de oxido para dar una gran area de contacto con el componente de catalizador para el gas de escape.
Se sabe que el rendimiento de catalizadores de metal soportados depende de la estructura y composition de las nanopartlculas de metal que contienen, y la naturaleza del soporte.
Aunque son sencillos, los metodos de impregnation convencionales usados para la preparacion de catalizadores soportados a menudo proporcionan un control limitado sobre la estructura de los materiales resultantes (es decir, tamano de partlcula promedio, composicion de partlcula y ubicacion de los componentes activos).
Con el fin de superar tales desventajas, la bibliografla publicada describe el uso de rutas de slntesis alternativas tales como el uso de precursores organometalicos de agrupaciones de carbonilo moleculares as! como metodos que implican el uso de agentes de plantilla (por ejemplo, tensioactivos y pollmeros). Las posibles ventajas de usar agrupaciones de carbonilo metalicas como fuente de metales preciosos para aplicaciones catallticas se hallan en las elevadas dispersiones de metal y la homogeneidad en la composicion de tamano de partlcula debido a la temperatura relativamente baja del procedimiento de activation y, cuando se usan precursores de agrupaciones heterometalicas, a los enlaces heterometalicos preformados. Sin embargo, la estabilidad limitada de tales agrupaciones sobre las superficies de diversos soportes, as! como las dificultades en su slntesis y manejo, hace que el uso de catalizadores derivados de agrupaciones sea problematico para aplicaciones a gran escala.
Por otro lado, las rutas de slntesis basadas en el uso de agentes de plantilla ofrecen la posibilidad de preparar nanopartlculas metalicas coloidales con tamano y composicion de partlcula controlados. Las etapas de slntesis para la preparacion de catalizadores de metal soportados a traves de rutas coloidales implican frecuentemente la interaction entre los precursores de metal y el agente protector seguido por un tratamiento de reduction que conduce a la formation de una suspension coloidal metalica. Tal suspension metalica puede entonces depositarse sobre la superficie de soporte y finalmente el agente protector retirarse para exponer las nanopartlculas a los reactivos.
En la bibliografla se notifican pocos ejemplos que describan el uso de coloides de metales preciosos estabilizados con pollmero como precursores para la preparacion de catalizadores de metal soportados en los que se consiguen dispersiones metalicas mejoradas con respecto a metodos convencionales.
Liu et al. (Polim. Adv. Technol. 1996, 7, 634) describen la deposicion de nanopartlculas de Pt y Pd protegidas con polivinilpirrolidona (PVP) y poli(alcohol vinllico) (PVA) sobre una superficie de SiO2. Sin embargo, tal superficie necesitaba tratarse previamente mediante adsorcion previa de poli(acido acrllico) para garantizar la deposicion de las nanopartlculas tapadas con pollmero.
Se prepararon suspensiones coloidales de Pd por Burton et al. (Top. Catal. 2008, 49, 227-232) calentando hasta 300°C un precursor de Pd adecuado en una disolucion de trioctilfosfina o de octilamina. Entonces se lavaron las partlculas obtenidas con hexano y se depositaron sobre un soporte oxldico seguido por calcination del soporte con el fin de retirar el agente de taponamiento.
Se ha requerido ademas mayor rendimiento de purificacion del gas de escape para un catalizador de purificacion de gas de escape de este tipo para la protection medioambiental. El control del tamano de agrupacion del metal
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precioso hasta un tamano optimo es una manera. Segun el metodo de soporte del metal precioso de la tecnica anterior que usa una disolucion del compuesto de metal precioso, el metal precioso se adsorbe sobre el soporte de oxido a un nivel atomico en el que el compuesto de metal precioso se dispersa en la superficie del soporte de oxido, pero los atomos del metal precioso se mueven e invitan al crecimiento del grano en el procedimiento de secado en estufa en el que el metal precioso se soporta firmemente. Por tanto, ha sido extremadamente diflcil soportar solamente el metal precioso de un tamano de agrupacion deseado sobre el soporte de oxido.
La publication de patente japonesa no examinada (Kokai) n.° 2003-181288 propone un metodo para soportar un metal precioso sobre un soporte de oxido introduciendo el metal precioso en los poros de un material de carbono hueco tal como un nanocuerno de carbono o un nanotubo de carbono de manera que el metal precioso forma una agrupacion que tiene un tamano deseado, en vez de soportar directamente el metal precioso sobre el soporte de oxido, fijar el metal precioso al material de carbono, luego secarlos en estufa juntos y despues de eso quemar y retirar el material de carbono y al mismo tiempo, soportar el metal precioso sobre el soporte de oxido.
Segun un metodo de este tipo, el metal precioso existe dentro de los poros del material de carbono hasta que el material de carbono se quema y se retira, y cuando el material de carbono se quema y se retira, el metal precioso se soporta rapidamente sobre el soporte de oxido. Por tanto, el metal precioso puede soportarse sustancialmente por el soporte de oxido a un tamano de agrupacion dentro de los poros del material de carbono. Sin embargo, este metodo no carece de problemas en los que el metal precioso debe introducirse en los poros del material de carbono hueco, lo que da como resultado baja productividad.
Torigoe, Esumi et al. proponen en “Chemical Industry”, pags. 276-296 (1998) producir partlculas de metales preciosos que tienen tamanos de partlcula del orden de nm reduciendo una disolucion mixta de un compuesto de pollmero tal como polivinilpirrolidona e iones de metales preciosos usando un agente reductor tal como H2, NaBEU, C2H5OH, o similares.
Sin embargo, cuando se usa un compuesto como agente reductor en el metodo descrito anteriormente, existe el problema de que cuando un elemento o elementos estan contenidos en la mezcla de compuesto como impurezas en las partlculas de metales preciosos finales. Cuando se usa NaBH4 como agente reductor, por ejemplo, se mezclan Na y B. Cuando se usa un alcohol como agente reductor, no solo el alcohol, sino tambien las cetonas, aldehldos, acidos carboxllicos, etc., formados mientras se oxida el alcohol durante la reduction de los iones metalicos, pueden mezclarse. Cuando se usa hidrogeno como agente reductor, se producen problemas porque el diametro de partlcula de las partlculas de metales preciosos resultantes se vuelve grande y las partlculas son irregulares.
El documento WO 2004/089508 proporciona un metodo de preparation de un catalizador de oxidation para oxidar la fraction organica volatil y un filtro de flujo de pared catalizado para su uso en la elimination de partlculas de hollln de gases de escape de motores diesel, que incluye preparar una sal de PGM y una sal de metal de transicion/alcalino con un compuesto de pollmero soluble en agua y un agente reductor, para obtener una primera disolucion coloidal, que entonces se recubre por lavado a un sustrato de ceramica monolltico recubierto con soporte de catalizador, seguido por un procedimiento de calcination a altas temperaturas, para obtener un catalizador de oxidacion; y tratar una sal de PGM y una mezcla de sal metalica que incluye al menos una seleccionada de un primer grupo de metal de catalizador para aumentar la actividad de oxidacion para el monoxido de nitrogeno (NO) y al menos una seleccionada de un segundo grupo de metal de catalizador para disminuir una temperatura de combustion de partlculas de hollln mediante agentes de oxidacion, tales como dioxido de nitrogeno y oxlgeno, con un compuesto de pollmero soluble en agua y un agente reductor, para obtener una segunda disolucion coloidal, que despues se recubre por lavado sobre un filtro de flujo de pared recubierto con soporte de catalizador, seguido por un procedimiento de calcinacion a altas temperaturas, para obtener un filtro de flujo de pared catalizado.
El documento WO 95/32790 se refiere en general al control de hidrocarburos, monoxido de carbono y oxidos de nitrogeno en el gas de escape de motores de combustion interna. Mas particularmente, la invention se refiere a la eliminacion de NO cuando los gases de escape incluyen oxlgeno sustancialmente en exceso del necesario para la combustion del combustible. Este es, por ejemplo, el caso de los motores de combustion pobre, motores diesel y otros motores actualmente en desarrollo.
El documento US 2008/0268159 se refiere a un metodo de production de un catalizador de metal precioso. Mas especlficamente, la presente invencion se refiere a un metodo de produccion de un catalizador de metal precioso, cuyo tamano de agrupacion esta controlado. El documento US 2008/0628159 proporciona un metodo de produccion de un catalizador de metal precioso que incluye las etapas de mezclar uniformemente una disolucion que contiene un metal precioso y una disolucion acuosa de un compuesto de pollmero que puede coordinarse con el metal precioso para formar un complejo del metal precioso y el compuesto de pollmero, anadir la disolucion acuosa gota a gota que contiene el complejo a agua que contiene microburbujas que contienen hidrogeno en las mismas, mezclar las disoluciones para reducir el metal precioso, soportar la disolucion mixta sobre un soporte y secar en estufa la disolucion.
Los documentos EP 0 457 480 A1 y EP 1 611 952 A1 se refieren a un procedimiento para preparar un catalizador
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para la reduccion catalltica, comprendiendo el catalizador material catalltico, es decir, coloide metalico tal como platino, sobre un soporte y un metodo para la preparacion de un catalizador usando un coloide metalico de multiples elementos, respectivamente.
Ademas, el documento US 2007/155626 A1 se refiere a un metodo de produccion de polvo de catalizador para la purificacion de gas de escape que comprende una etapa de precipitar uno cualquiera de una partlcula de metal noble y una partlcula de metal de transicion en una micela inversa, la partlcula de metal noble esta soportada sobre un material poroso.
El documento US 2006/240977 A1 da a conocer un procedimiento para sintetizar un catalizador para purificar gas de escape, teniendo el catalizador una capa de recubrimiento de un portador compuesto por un compuesto inorganico poroso y al menos un metal noble.
El documento WO 2005/063390 A1 da a conocer un metodo para preparar un polvo de catalizador para purificar gas de escape, comprendiendo el catalizador un portador poroso que tienen un parte de complejo que contiene material de metal transicion configurada para sostener una partlcula de metal noble.
El documento US 2009/011177 A1 se refiere a un catalizador de limpieza de gas de escape cuyo componente catalltico, es decir, coloide de platino, esta soportado sobre un portador y el documento WO 98/32956 A2 da a conocer un conversor catalltico para tratar gas de escape que tiene un catalizador con metal noble sobre una superficie de cristal de tamiz molecular y un metodo de elaboration del mismo.
El documento US 2005/0239642 A1 se refiere a un filtro catalltico para eliminar partlculas de hollln de gases de escape de motores diesel y a un metodo de preparacion del mismo.
El documento US 5 897 846 A da a conocer un conversor de catalizador que tiene un catalizador con metal noble, tal como platino o aleacion de platino dispersado sobre la superficie de cristal de tamiz molecular y un metodo de tratamiento de gas de escape de motor diesel usando el mismo.
Ademas, el documento EP 1 886 726 A1 se refiere a una agrupacion de metal que porta el soporte de oxido de metal usado como catalizador para la purificacion de gas de escape y a un procedimiento para la produccion del mismo.
Finalmente, el documento EP 2 452 750 A1 da a conocer un catalizador de purificacion de gas de escape que comprende un soporte de oxido de metal cristalino y una partlcula de metal noble soportada sobre el soporte y un metodo para producir el mismo.
Los procedimientos conocidos a partir del estado de la tecnica tienen varias desventajas como, por ejemplo, el uso de procedimientos de varias etapas para obtener el catalizador final, control limitado sobre la ubicacion de las nanopartlculas coloidales tras la impregnation sobre un filtro de flujo de pared recubierto con soporte, el uso de tratamiento a alta temperatura para la formation de la suspension coloidal o el uso de un generador de microburbujas de H2, que tienen vida util limitada en disolucion. Estas desventajas limitan la aplicabilidad del metodo y la productividad.
La presente invencion proporciona un procedimiento para preparar un catalizador evitando las desventajas de los procedimientos conocidos del estado de la tecnica.
Sumario de la invention
La presente invencion se refiere a un procedimiento para preparar un catalizador. En particular, la presente invencion se refiere a un procedimiento para preparar un catalizador, que comprende al menos las etapas de:
(1) anadir un agente protector a una disolucion acuosa de un precursor de metal para dar una mezcla (M1),
(2) anadir un agente reductor a la mezcla (M1) para dar una mezcla (M2), en el que el agente reductor es un borohidruro de metal alcalino,
(3) anadir un material de soporte a la mezcla (M2) para dar una mezcla (M3),
(4) ajustar el pH de la mezcla (M3) hasta un valor en el intervalo de desde 2 hasta 7,
(5) separar la fase solida y llquida de la mezcla (M3).
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Description detallada de la invention
La presente invention se refiere a un procedimiento para preparar un catalizador. En particular, la presente invention se refiere a un procedimiento para preparar un catalizador, que comprende al menos las etapas de:
(1) anadir un agente protector a una disolucion acuosa de un precursor de metal para dar una mezcla (M1),
(2) anadir un agente reductor a la mezcla (M1) para dar una mezcla (M2), en el que el agente reductor es un borohidruro de metal alcalino,
(3) anadir un material de soporte a la mezcla (M2) para dar una mezcla (M3),
(4) ajustar el pH de la mezcla (M3) hasta un valor en el intervalo de desde 2 hasta 7,
(5) separar la fase solida y llquida de la mezcla (M3).
Segun el procedimiento de la presente invention, se obtiene un catalizador que contiene partlculas de metal altamente dispersadas sobre un material de soporte.
La presente invention mejora el estado de la tecnica descrito anteriormente reduciendo el numero de etapas de preparation. Esto da como resultado una mejora del procedimiento y reduction de costes.
Ademas, el procedimiento segun la presente invention puede llevarse a cabo sin atmosfera inerte, eliminando as! la necesidad de gases de purga o atmosferas inertes tras la disolucion e interaction del precursor de sal metalica con el agente protector.
Al usar el procedimiento de la presente invention, es posible obtener la deposition de los nanomateriales compuestos de metal sobre la superficie del soporte mediante control simplificado sobre las propiedades fisicoqulmicas (es decir, pH) de las disoluciones coloidales metalicas usadas como precursor.
Puede evitarse el uso de pollmeros y/o disolventes adicionales en la disolucion acuosa para obtener una dispersion metalica y composition de nanopartlculas de metal mas homogenea con respecto a metodos convencionales.
Finalmente, se elimina la necesidad de multiples etapas de interaction y/o etapas de reduction del agente de metal/protector para formar nanopartlculas de Pt/Pd altamente dispersadas con composition homogenea segun la presente invention. Segun la presente invention, la composition de las partlculas de Pt/Pd resultantes esta controlada por la cantidad de Pt/Pd relativa usada en la preparacion.
Los catalizadores obtenidos por el procedimiento segun la presente invention muestran una actividad catalltica mejorada de los materiales resultantes incluso despues de tratamiento hidrotermico a 800°C durante 12 h.
El procedimiento segun la presente invention comprende las etapas (1) a (5). Segun la etapa (1), se anade un agente protector a una disolucion acuosa de un precursor de metal para dar una mezcla (M1).
Como precursor de metal, puede anadirse cualquier compuesto adecuado que sea soluble en agua, es decir, que sea adecuado para preparar una disolucion acuosa del precursor de metal. Compuestos adecuados son, por ejemplo, sales metalicas. Preferiblemente, se usa un compuesto adecuado de un metal seleccionado del grupo que consiste en platino, paladio, rodio, oro y plata o mezclas de los mismos. Por ejemplo, se usan sales metalicas de platino, paladio, rodio, oro y plata o mezclas de las mismas en el procedimiento de la presente invention. En particular, el metal es paladio o platino.
Segun una realization, la presente invention se refiere, por tanto, a un procedimiento para preparar un catalizador tal como se dio a conocer anteriormente, en el que el precursor de metal se selecciona de sal metalica de platino, paladio, rodio, oro y plata o mezclas de las mismas.
Se usa una disolucion acuosa del precursor de metal en la etapa (1). Segun la presente invention, la concentration del metal en la disolucion acuosa del precursor de metal esta preferiblemente en el intervalo de desde 1 *10-6 hasta 4,6*10'5 moles de metal por mol de disolucion, mas preferiblemente en el intervalo de desde 5*10-6 hasta 4,3*10-5 moles de metal por mol de disolucion, mas preferiblemente en el intervalo de desde 1 *10-5 hasta 3,9*10-5 moles de metal por mol de disolucion, mas preferiblemente en el intervalo de desde 1,8*10-5 hasta 3,6 *10-5 moles de metal por disolucion.
Como agente protector, puede usarse cualquier compuesto adecuado en el contexto de la presente invention.
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Agentes protectores adecuados son, por ejemplo, homo y copollmeros solubles que tienen uno o mas grupos amino, amido, carboxllicos, aldehldicos o hidroxilo, y moleculas organicas que tienen uno o mas grupos amino, amido, carboxllicos, aldehldicos o hidroxilo y mezclas de los mismos.
Segun una realizacion adicional, la presente invencion se refiere, por tanto, a un procedimiento para preparar un catalizador tal como se dio a conocer anteriormente, en el que el agente protector se selecciona de homo y copollmeros solubles que tienen uno o mas grupos amino, amido, carboxllicos, aldehldicos o hidroxilo, y moleculas organicas que tienen uno o mas grupos amino, amido, carboxllicos, aldehldicos o hidroxilo y mezclas de los mismos.
Agentes protectores preferidos se seleccionan, por ejemplo, de poli(alcohol vinllico), poli(vinilpirrolidona), poli(etilenimina), poli(acido acrllico), hidratos de carbono o citratos de metales alcalinos. Por tanto, segun una realizacion preferida, la presente invencion se refiere, por tanto, a un procedimiento para preparar un catalizador tal como se dio a conocer anteriormente, en el que el agente protector se selecciona de poli(alcohol vinllico), poli(vinilpirrolidona), poli(etilenimina), poli(acido acrllico), hidratos de carbono o citratos de metales alcalinos.
Segun la presente invencion, las razones adecuadas entre el precursor de metal y el agente protector se encuentran en el intervalo de desde 1:1 hasta 1:10 cuando se calculan como razon entre un mol de metal precioso y la unidad del agente protector. Las razones preferidas entre un mol de precursor de metal y una unidad de agente protector se encuentran en el intervalo de desde 1:2 hasta 1:4.
Preferiblemente, la reaccion se lleva a cabo a presion ambiental a una temperatura de desde 15 hasta 35°C, mas preferiblemente a una temperatura de desde 20 hasta 30°C, mas preferiblemente a temperatura ambiente. Se prefiere llevar a cabo la reaccion con agitacion. Segun la presente invencion, se obtienen mezclas mezclando preferiblemente dos o mas disoluciones que comprenden el mismo o diferentes componentes de metal precioso. Sin embargo, tambien es posible que se usen mezclas preformadas.
En la etapa (1) del procedimiento segun la presente invencion, se obtiene la mezcla (M1). Segun la etapa (2), se anade un agente reductor a la mezcla (M1) para dar una mezcla (M2) en la que el agente reductor es un borohidruro de metal alcalino.
Las razones adecuadas entre el precursor de metal y el agente reductor se encuentran en el intervalo de desde 1:1 hasta 1:20 cuando se calculan como razon entre un mol de metal precioso y un mol del agente reductor. Las razones preferidas entre un mol de precursor de metal y un mol de agente reductor se encuentran en el intervalo de desde 1:2 hasta 1,8. La reaccion puede llevarse a cabo a temperatura ambiente con agitacion.
Las mezclas as! obtenidas podrlan tambien constituirse mezclando dos o mas mezclas (M2) que comprenden el mismo o diferentes componentes de metal precioso. Tales disoluciones podrlan obtenerse tambien mezclando dos o mas disoluciones (M1), que se obtienen en la etapa (1) mediante la adicion del mismo o diferente agente protector, seguido por la adicion del agente reductor. Ademas, la mezcla (M2) puede obtenerse mezclando una o mas mezclas (M2) con una o mas mezclas (M1) seguido por la adicion del agente reductor.
En la etapa (2), se obtiene la mezcla (M2). A esta mezcla, se le anade un material de soporte para dar una mezcla (M3).
En principio, puede usarse cualquier material de soporte adecuado en el procedimiento segun la presente invencion. Materiales de soporte preferidos son, por ejemplo, oxido de aluminio, oxido de silicio, oxido de cerio, oxido de zirconio, oxido de titanio, oxido de magnesio solos o como mezclas y/o disoluciones solidas de estos materiales de soporte.
Segun una realizacion adicional, la presente invencion se refiere, por tanto, a un procedimiento para preparar un catalizador tal como se dio a conocer anteriormente, en el que el material de soporte se selecciona de oxido de aluminio, oxido de silicio, oxido de cerio, oxido de zirconio, oxido de titanio, oxido de magnesio solos o como mezclas y/o disoluciones solidas de estos materiales de soporte.
Se eligen cantidades adecuadas del material de soporte para que tenga una concentracion final de metales preciosos sobre el soporte en el intervalo de desde el 0,01% hasta el 10% p/p con respecto al material resultante. Concentraciones preferidas del metal precioso sobre el material de soporte estan en el intervalo de desde el 0,1% hasta 5% p/p con respecto al material de soporte.
Segun la presente invencion, el material de soporte se anade a la mezcla a temperatura ambiente mientras que se agita la mezcla.
Segun la etapa (4) del procedimiento de la presente invencion, el pH de la mezcla (M3) obtenido en la etapa (3) del procedimiento de la presente invencion se ajusta a un valor en el intervalo de desde 2 hasta 7.
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Segun la presente invencion, el pH puede ajustarse mediante cualquier metodo adecuado, por ejemplo, mediante la adicion de un acido adecuado, en particular un acido mineral como HCl o HNO3.
Segun la presente invencion, el ajuste del pH se lleva a cabo preferiblemente a temperatura ambiente mientras se agita la disolucion.
En la etapa (5) del procedimiento de la presente invencion, se separan las fases solida y llquida de la mezcla (M3). La separacion puede lograrse mediante cualquier metodo, por ejemplo, filtracion o centrifugacion o evaporation del disolvente. Segun una realization adicional, la presente invencion se refiere, por tanto, a un procedimiento para preparar un catalizador tal como se dio a conocer anteriormente, en el que en la etapa (5) la fase solida y llquida de la mezcla (M3) se separan mediante filtracion o evaporacion del disolvente.
El procedimiento segun la presente invencion tambien comprende etapas adicionales, por ejemplo, etapas de calentamiento o enfriamiento o etapas para alterar la concentration de cualquiera de las mezclas obtenidas en el procedimiento de la presente invencion. Las etapas adicionales pueden llevarse a cabo antes o despues de las etapas (1) a (5) o entre cualquiera de las etapas (1), (2), (3), (4) y/o (5) del procedimiento de la presente invencion.
Segun el procedimiento de la presente invencion, se obtiene un catalizador que tiene nanopartlculas altamente dispersadas con composition homogenea.
Los catalizadores obtenidos mediante el procedimiento segun la presente invencion muestran una actividad catalltica mejorada de los materiales resultantes incluso despues de tratamiento hidrotermico a 800°C durante 12 h.
Los catalizadores dados a conocer tienen propiedades mejoradas. Por ejemplo, para un catalizador que comprende solo platino como metal, despues del tratamiento del catalizador a 450°C durante un periodo de tiempo deseado en una atmosfera oxidante (aire), no menos del 65% de las partlculas de metal tienen un diametro promedio por debajo de 3 nm. Ademas, para un catalizador que comprende solo platino como metal, despues del tratamiento del catalizador obtenido a 800°C durante 12 h en una atmosfera oxidante (el 10% de H2O en aire), no menos del 22% de las partlculas de metal tienen un diametro promedio por debajo de 22 nm.
Para un catalizador que comprende platino y paladio como metales, despues del tratamiento del catalizador obtenido a 800°C durante 12 h en una atmosfera oxidante (el 10% H2O en aire), no menos del 36% de las partlculas de metal tienen un diametro promedio por debajo de 22 nm. Ademas, para un catalizador que comprende platino y paladio como metales, despues del tratamiento del catalizador obtenido a 800°C durante 12 h en una atmosfera oxidante (el 10% H2O en aire), no menos del 90% de las partlculas de metal estan constituidas por tanto Pt como Pd.
Los catalizadores obtenidos segun el procedimiento segun la presente invencion o los catalizadores dados a conocer son en particular adecuados como catalizadores de oxidation para motores diesel, en particular debido a la resistencia termica mejorada y el crecimiento de grano de partlculas de metal reducido durante condiciones de envejecimiento hidrotermico que simulan las condiciones de envejecimiento pobres normalmente encontradas durante el funcionamiento de un motor diesel. Por tanto, se describe el uso del catalizador obtenido mediante un procedimiento segun la presente invencion como catalizador de oxidacion para motores diesel, y un procedimiento para oxidar gas de escape de motores diesel en el que el gas de escape de motores diesel se pone en contacto con el catalizador obtenido mediante un procedimiento segun la presente invencion.
Puede usarse un filtro de hollln catalizado en un sistema de tratamiento de emisiones integrado, en particular en un conducto de gas de escape que comprende uno o mas componentes adicionales para el tratamiento de emisiones de gas de escape de motor diesel. Por ejemplo, tal conducto de gas de escape que, lo mas preferiblemente, esta en comunicacion de fluido con el motor diesel, puede comprender un filtro de hollln catalizado y puede comprender ademas un artlculo de catalizador de oxidacion para motores diesel (DOC) y/o un artlculo de reduction catalltica selectiva (SCR) y/o un artlculo catalltico de almacenamiento y reduccion de NOx (NSR). Lo mas preferiblemente, el artlculo de DOC y/o el artlculo de SCR y/o el artlculo de NSR estan en comunicacion de fluido con el filtro de hollln catalizado. El catalizador de oxidacion para motores diesel puede ubicarse aguas arriba o aguas abajo del filtro de hollln catalizado y/o componente de reduccion catalltica selectiva. Mas preferiblemente, el filtro de hollln catalizado se ubica aguas abajo del artlculo de DOC. Todavla mas preferiblemente, el filtro de hollln catalizado se ubica o bien aguas arriba o bien aguas abajo del artlculo de SCR.
Incluso mas preferiblemente, aguas abajo del filtro de hollln catalizado, no hay artlculo catalltico de reduccion de NOx comprendido en el sistema, preferiblemente no hay artlculo catalltico de almacenamiento y reduccion de NOx (NSR).
Un artlculo de SCR adecuado para su uso en el conducto de gas de escape, normalmente, puede catalizar la reaction de O2 con cualquier exceso de NH3 a N2 y H2O, de manera que no se emite NH3 a la atmosfera. Las composiciones de catalizador de SCR utiles usadas en el conducto de gas de escape tambien deben tener
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resistencia termica hasta temperaturas superiores a 650°C. Pueden encontrarse tales altas temperaturas durante la regeneration del filtro de hollln catalizado aguas arriba. Se describen artlculos de SCR adecuados, por ejemplo, en los documentos US 4.961.917 y US 5.516.497. Los artlculos de SCR adecuados incluyen uno o ambos de un promotor de hierro y de cobre, presente normalmente en una zeolita en una cantidad de desde aproximadamente el 0,1 hasta el 30 por ciento en peso, preferiblemente desde aproximadamente el 1 hasta el 5 por ciento en peso, del peso total de promotor mas zeolita. Las zeolitas tlpicas pueden presentar una estructura de entramado de CHA.
El filtro de hollln catalizado puede disponerse aguas abajo del DOC. En una disposition de este tipo, el filtro de hollln catalizado proporciona la ventaja de que HC y CO se reducen durante la combustion de hollln que, lo mas preferiblemente, se logra por la zona aguas arriba del filtro. Ademas, el diseno especlfico de la zona posterior garantiza que en la zona aguas abajo del filtro de hollln catalizado, se genera una cantidad de NOx lo mas baja posible. Por tanto, aguas abajo de tal DOC, el filtro de hollln catalizado puede ser muy ventajoso en su funcion de limpieza para el tratamiento del gas de escape de motor diesel.
Ademas, el filtro de hollln catalizado tal como se definio anteriormente se usa en un metodo de tratamiento de una corriente de gas de escape de motor diesel, conteniendo la corriente de gas de escape partlculas de hollln, comprendiendo dicho metodo poner en contacto la corriente de gas de escape con el filtro de hollln catalizado, preferiblemente despues de haber dirigido la corriente de gas de escape a traves de un catalizador de oxidation para motores diesel (DOC), comprendiendo dicho DOC preferiblemente un sustrato de flujo continuo o un sustrato de flujo de pared.
Ademas, se describe un sistema para tratar una corriente de gas de escape de motor diesel, comprendiendo el sistema un conducto de gas de escape en comunicacion de fluido con el motor diesel por medio de un colector de gas de escape;
un filtro de hollln catalizado tal como se definio anteriormente; y
uno o mas de lo siguiente en comunicacion de fluido con el filtro de hollln catalizado: un catalizador de oxidacion para motores diesel (DOC), un artlculo de reduction catalltica selectiva (SCR), un artlculo catalltico de almacenamiento y reduccion de NOx (NSR).
Preferiblemente, en este sistema, el filtro de hollln catalizado se dispone aguas abajo del DOC. Mas preferiblemente, el sistema no contiene un artlculo de reduccion catalltica de NOx, y mas preferiblemente, el sistema no contiene un artlculo catalltico de almacenamiento y reduccion de NOx (NSR).
Por tanto, se describe un metodo de tratamiento de una corriente de gas de escape de motor diesel, conteniendo la corriente de gas de escape partlculas de hollln, comprendiendo dicho metodo poner en contacto la corriente de gas de escape con un filtro de hollln catalizado tal como se definio anteriormente, preferiblemente despues de haber dirigido la corriente de gas de escape a traves de un catalizador de oxidacion para motores diesel (DOC), comprendiendo dicho DOC preferiblemente un sustrato de flujo continuo o un sustrato de flujo de pared.
Este metodo comprende ademas dirigir la corriente de gas de escape que resulta del DOC o del filtro de hollln catalizado a traves de un artlculo de reduccion catalltica selectiva (SCR).
Description detallada de las figuras
Figura 1. Muestra el microscopio electronico de transmision de una muestra de Pt/Pd sobre un soporte de alumina preparado siguiendo el procedimiento segun el ejemplo 3 a continuation y detallando la composition de tamano de partlcula. El eje x del diagrama muestra el numero de partlculas (n.°), el eje y la razon de Pt/Pd (en mol/mol).
Figura 2. Muestra el espectro de XRD de Pt al 1% sobre oxido de aluminio preparado segun el procedimiento de la invention. El eje x muestra la escala 2 theta (en °), el eje y la intensidad (en recuentos de lin; I/LC).
Figura 3. Muestra el espectro de XRD de Pt al 1% sobre oxido de aluminio preparado segun un procedimiento segun el estado de la tecnica. El eje x muestra la escala 2 theta (en °), el eje y la intensidad (en recuentos de lin; I/LC).
Figura 4. Muestra el espectro de XRD de Pt al 0,67% y Pd al 0,33% sobre oxido de aluminio preparado segun el procedimiento de la invencion. El eje x muestra la escala 2 theta (en °), el eje y la intensidad (en recuentos de lin; I/LC).
Figura 5. Muestra el espectro de XRD de Pt al 0,67% y Pd al 0,33% sobre oxido de aluminio preparado segun un procedimiento segun el estado de la tecnica. El eje x muestra la escala 2 theta (en °), el eje y la intensidad (en recuentos de lin; I/LC).
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Figura 6. Muestra un diagrama que compara la actividad gaseosa de catalizadores preparados segun el procedimiento de la invencion con la de catalizadores de la tecnica anterior. Se encuentra una descripcion detallada de la figura 6 en el contexto del ejemplo 11 en el presente documento a continuacion.
La presente invencion se ilustra adicionalmente por medio de los siguientes ejemplos.
Ejemplos
Ejemplo 1
Se diluyeron 10,2 g de una disolucion de H2PtCl6 que contenla 5,1 *10-2 moles de Pt por litro de disolucion en 400 ml de agua y se anadio una cantidad oportuna de una disolucion de PVP que contenla 10 mg de PVP por ml de disolucion con el fin de lograr una razon en peso de Pt/PVP igual a 1. Despues de dejar agitar la disolucion a temperatura ambiente en aire durante 1 hora, se anadio NaBH4 a la disolucion a temperatura ambiente. Se escogio la cantidad de NaBH4 con el fin de tener una razon en peso de Pt/NaBH4 de 1/2. Tras la agitacion durante 1 hora en aire de la mezcla obtenida, se anadio una cantidad apropiada de polvo de alumina a la disolucion con el fin de lograr una carga de metal total del 1% p/p y se ajusto el pH a un valor de 2,4 con una disolucion de HCl que contenla HCl al 15% en peso. Despues de 30 minutos de agitacion se filtro la disolucion y se recupero el polvo solido.
Ejemplo 2
Se usaron el mismo procedimiento y cantidades de reactivos que en el ejemplo 1 con la excepcion de la adicion de PVP. En este caso, se anadio una cantidad oportuna de disolucion de pVp que contenla 10 mg de PVP por mg de disolucion con el fin de lograr una razon en peso de Pt/PVP igual a 2.
Ejemplo 3
Se usaron el mismo procedimiento y cantidades de reactivos que en el ejemplo 2 con la excepcion de que se diluyeron 6,6 g de una disolucion de H2PtCl6 que contenla 5,1 *10-2 moles de Pt por litro de disolucion en 400 ml de agua junto con 110 mg de K2PdCl4.
Tal como puede observarse a partir de la figura 1, las nanopartlculas de metales preciosos comprenden tanto platino como paladio y la composicion es la misma que se esperarla de la razon relativa de platino y paladio cuando se calcula basandose en el mol de metal precioso.
Ejemplo 4
Se diluyeron 6,6 g de una disolucion de H2PtCl6 que contenla 5,1 *10-2 moles de Pt por litro de disolucion en 400 ml de agua y se anadio una cantidad oportuna de una disolucion de PVP que contenla 10 mg de PVP por ml de disolucion con el fin de lograr una razon en peso de Pt/PVP igual a 1. Despues de dejar agitar la disolucion a temperatura ambiente en aire durante 1 hora, se anadio NaBH4 a la disolucion a temperatura ambiente. Se escogio la cantidad de NaBH4 con el fin de tener una razon en peso de Pt/NaBH4 de 1/2. Se agito la disolucion resultante durante 30 minutos y luego se anadieron 110 mg de K2PdCl4 a la disolucion. Despues de 30 minutos, se anadio NaBH4 a la disolucion a temperatura ambiente. Se escogio la cantidad de NaBH4 con el fin de tener una razon en peso de Pd/NaBH4 de 1/2. Tras la agitacion durante 1 hora en aire de la mezcla obtenida, se anadio una cantidad apropiada de polvo de alumina a la disolucion con el fin de lograr una carga de metal total del 1% p/p y se ajusto el pH hasta un valor de 2,4 con una disolucion de HCl que contenla HCl al 15% en peso. Despues de 30 minutos de agitacion se filtro la disolucion y se recupero el polvo solido.
Ejemplo 5
Se usaron el mismo procedimiento y cantidades de reactivos que en el ejemplo 4 con la excepcion de que el orden de adicion de H2PtCl6 y de K2PdCl4 se ha invertido.
Ejemplo 6
Se usaron el mismo procedimiento y cantidades de reactivos que en el ejemplo 1 con la excepcion de la adicion de PVP. En este caso se anadio una cantidad oportuna de disolucion de pVp que contenla 10 mg de PVP por mg de disolucion con el fin de lograr una razon en peso de Pt/PVP igual a 4.
Ejemplo 7
Se usaron el mismo procedimiento y cantidades de reactivos que en el ejemplo 1 con la excepcion de las cantidades
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de H2PtCl6 y soporte que se escogieron para obtener un catalizador que tenia el 2% p/p de metal precioso con respecto al soporte.
Ejemplo 8
Se usaron el mismo procedimiento y cantidades de reactivos que en el ejemplo 3 con la excepcion de las cantidades de H2PtCl6, K2PdCl4 y alumina que se escogieron para obtener un catalizador que tenia el 4% p/p de metal precioso con respecto al soporte.
Ejemplo 9 - Ejemplo comparativo
En referencia a la figura 2, se muestra un espectro de XRD de una muestra que comprende Pt al 1% p/p con respecto al material de soporte depositado sobre un soporte de alumina, preparado siguiendo el mismo procedimiento del ejemplo 1, que se envejecio termicamente durante 12 horas a 800°C.
La figura 3 muestra un espectro de XRD de una muestra que comprende Pt al 1% p/p con respecto al material de soporte depositado sobre un soporte de alumina, preparado a partir del mismo precursor de metal precioso segun metodos de impregnation con humedad incipiente del estado de la tecnica, que se envejecio termicamente durante 12 horas a 800°C.
Tal como puede observarse, en la figura 2 el pico de difraccion de Pt es mas ancho y menos intenso que en el caso de la muestra preparada segun la impregnacion con humedad incipiente del estado de la tecnica, indicando por tanto un tamano de particula promedio mas pequeno.
Ejemplo 10 - Ejemplo comparativo
En referencia a la figura 4, se muestra un espectro de XRD de una muestra que comprende Pt al 0,67% p/p y Pd al 0,33% p/p con respecto al material de soporte depositado sobre un soporte de alumina, preparado siguiendo el mismo procedimiento del ejemplo 3, que se envejecio termicamente durante 12 horas a 800°C.
La figura 5 muestra un espectro de XRD de una muestra que comprende Pt al 0,67% p/p y Pd al 0,33% p/p con respecto al material de soporte depositado sobre un soporte de alumina, preparado a partir de los mismos precursores de metales preciosos segun metodos de impregnacion con humedad incipiente del estado de la tecnica, que se envejecio termicamente durante 12 horas a 800°C.
Tal como puede observarse, en la figura 4 el pico de difraccion de Pt/Pd es mas ancho y menos intenso que en el caso de la muestra preparada segun la impregnacion con humedad incipiente del estado de la tecnica, indicando por tanto un tamano de particula promedio mas pequeno.
Ejemplo 11 - Comparacion de los ejemplos y ejemplos del estado de la tecnica
La figura 6 muestra la actividad gaseosa de la muestra sometida a prueba en un reactor de laboratorio que simula las emisiones de gases de escape de un motor diesel convencional. Las condiciones de reaction usadas fueron un reactor de tubo de lecho fijo en el que se diluyeron 40 mg de polvo con 100 mg de material de cordierita y se trituro y se tamizo la mezcla en el intervalo de 250-500 micrometros. La velocidad de flujo de gas total fue de 200 ml/min y la velocidad espacial resultante fue equivalente a 15.000-20.000 por hora que experimentaria una muestra monolitica. La composition de gas usada en las pruebas en reactor de polvo comprendia CO 2000 ppm, NO 100 ppm, C3H6 300 ppm, C3H8 300 ppm, tolueno 350 ppm, el 12% de O2, el 5% de H2O. A menos que se especifique lo contario, las concentraciones de hidrocarburos (HC) se notifican en una base de C1.
Al inicio de la prueba de apagado, se equilibro la muestra de polvo en la mezcla de gas durante 20 minutos a 50°C. La temperatura a la que se observo el 50% de conversion se denomina T50 y se uso como medida de la actividad de catalizador: cuanto mas baja sea la T50, mejor es el rendimiento del catalizador. Se comparo la actividad despues del envejecimiento termico durante 12 h a 800°C de las muestras preparadas segun el procedimiento de la invention tal como se senala en el ejemplo 2, ejemplo 3, ejemplo 7 y ejemplo 8, con la de muestras preparadas segun metodos de impregnacion con humedad incipiente del estado de la tecnica (IW) a partir de los mismos precursores de metales preciosos, depositados sobre el mismo material de soporte y que tienen el mismo contenido en metales preciosos que en el ejemplo 2, ejemplo 3, ejemplo 7 y ejemplo 8.
Tal como puede observarse, la actividad catalitica de las muestras preparadas segun el procedimiento de invencion es mayor que la de las muestras preparadas segun metodos de impregnacion del estado de la tecnica tal como se indica por el valor de T50 mas bajo de CO en la corriente de alimentation usada para la evaluation.
Claims (6)
- REIVINDICACIONES1. Procedimiento para preparar un catalizador, que comprende al menos las etapas de:(1) anadir un agente protector a una disolucion acuosa de un precursor de metal para dar una mezcla (M1),(2) anadir un agente reductor a la mezcla (M1) para dar una mezcla (M2), en el que el agente reductor es un 5 borohidruro de metal alcalino,(3) anadir un material de soporte a la mezcla (M2) para dar una mezcla (M3),(4) ajustar el pH de la mezcla (M3) hasta un valor en el intervalo de desde 2 hasta 7,(5) separar la fase solida y llquida de la mezcla (M3).
- 2. Procedimiento segun la reivindicacion 1, en el que el agente protector se selecciona de homo y copollmeros 10 solubles que tienen uno o mas grupos amino, amida, carboxllicos, aldehldicos o hidroxilo, y moleculas organicas quetienen uno o mas grupos amino, amido, carboxllicos, aldehldicos o hidroxilo y mezclas de los mismos.
- 3. Procedimiento segun la reivindicacion 1 o 2, en el que el agente protector se selecciona de poli(alcohol vinllico), poli(vinilpirrolidona), poli(etilenimina), poli(acido acrllico), hidratos de carbono o citratos de metales alcalinos.
- 4. Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el precursor de metal se selecciona de 15 sal metalica de platino, paladio, rodio, oro y plata o mezclas de las mismas.
- 5. Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que el material de soporte se selecciona de oxido de aluminio, oxido de silicio, oxido de cerio, oxido de zirconio, oxido de titanio, oxido de magnesio solo o como mezclas y/o disoluciones solidas de estos materiales de soporte.
- 6. Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que en la etapa (5) la fase solida y llquida de 20 la mezcla (M3) se separan mediante filtracion o evaporacion del disolvente.
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