KR20030056792A - 질소산화물 흡장 촉매 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 GDI 차량용 질소산화물(NOx) 흡장 촉매 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 담체 표면에 SiO2박막을 형성하고 고온에서 칼륨 성분이 담체와 반응하기 전에 먼저 반응시켜 K2O가 고온에서 담체 구성물질(Cordierite)인 SiO2와 결합하는 것을 방지하여 칼륨에 의한 담체 구조의 파괴를 막아 내구성을 향상시킬 수 있는 질소산화물(NOx) 흡장 촉매 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

질소산화물 흡장 촉매 및 그 제조방법{NOx absorbing catalyst and its preparation method}
본 발명은 GDI 차량용 질소산화물(NOx) 흡장 촉매 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 담체 표면에 SiO2박막을 형성하고 고온에서 칼륨 성분이 담체와 반응하기 전에 먼저 반응시켜 K2O가 고온에서 담체 구성물질(Cordierite)인 SiO2와 결합하는 것을 방지하여 칼륨에 의한 담체 구조의 파괴를 막아 내구성을 향상시킬 수 있는 질소산화물(NOx) 흡장 촉매 및 그 제조방법에 관한 것이다.
현재 GDI-ENG 탑재 차량에서는 질소산화물(NOx)를 저감시키기 위해 질소산화물 흡장용 촉매를 주로 사용하고 있으며, 흡장형 촉매에는 일반적으로 Pt/Al2O3에 Ba을 첨가한 촉매가 가장 많이 사용되고 있다.
작동원리는 린(lean) 영역에서 질소산화물(NOx)을 저장하고 리치(rich) 영역에서 이를 제거하는 원리로, 즉 린(lean) 영역에서 NO가 Pt으로 인해 NO2로 산화되고, 산화된 NO2는 질소산화물(NOx) 흡장물질인 BaO(바륨 옥사이드)에 NO-형태로 저장하고, 리치(rich) 영역에서는 저장된 NO-가 다시 방출되어 NO2로 됨과 동시에 CO나 HC에 의해 환원되어 정화가 이루어진다.
이때, 린(lean) 영역에서의 반응은 하기 반응식 1과 같다.
NO + 1/2 O2= NO2
BaO + NO2+ 1/2 O2= Ba(NO2)2
또한, 리치(Rich) 영역에서의 반응식 다음 반응식 2와 같다.
Ba(NO3) = BaO + 2NO + 3/2 O2
Ba(NO3)2= BaO + 2NO2+ 1/2 O2
NO + CO = 1/2 N2+ CO2
그러나, 질소산화물 흡장 촉매는 다음 반응식 3과 같이 배기가스에 존재하는 유황 화합물(SO2)과도 상기와 같은 반응으로 바륨황산염을 만들어 포화 상태에 이르면 이산화질소(NO2)에 대한 활성을 상실하게 된다. 그러나, 활성을 저하시키는 황산염을 제거하기 위해서는 매우 높은 온도가 요구된다.
SO2+ 1/2 O2= SO3
BaO + SO3= BaSO4
따라서, 질소산화물 저감 및 유황에 대한 저항성이 향상되며, Ba0보다 고온에서 안정적이고, 와이드 오퍼레이팅 윈도우(WIDE OPERATING WINDOW)를 갖는 물질로 산화칼륨(K2O)이 유리한 것으로 알려져 있다.
하지만, K2O는 950 ℃ 이상의 고온의 조건에서는 담체 구성 물질인 코어디어라이트(Cordierite, 2MgO·2Al2O3·5SiO2)의 SiO2와 결합하여 포타슘 실리케이트(K2SiO3)를 형성하기 때문에 담체 구조가 파괴되어 균열(CRACK)이 발생하는 문제가 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 문제점을 해결하기 위하여, 담체 표면에 SiO2박막을 형성한 후에 K2O를 포함하는 촉매를 코팅하여 칼륨에 의한 담체 구조의 파괴를 막아 내구성을 향상시킬 수 있는 질소산화물(NOx) 흡장 촉매 및 그 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
도 1은 본 발명의 질소산화물 흡장 촉매의 구조를 나타낸 것이다.
도 2는 종래 질소산화물(NOx) 촉매인 BaO와 K2O의 저장 특성을 나타낸 것이다.
도 3은 종래 K2O 촉매 사용으로 인한 담체 구조의 균열을 나타낸 것이다.
[도면 주요부분에 대한 부호의 설명]
1: 담체 2: SiO2박막
3: K2O 촉매층
본 발명은 담체(Cordierite) 및 K2O 촉매층 사이에 SiO2박막을 포함하는 질소산화물(NOx) 흡장 촉매를 그 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 질소산화물(NOx) 흡장 촉매의 제조방법에 있어서,
담체(Cordierite) 표면에 SiO2박막을 코팅한 후, 여기에 K2O를 포함하는 촉매층을 코팅하여 제조하는 질소산화물(NOx) 흡장 촉매의 제조방법을 포함한다.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 K2O가 고온에서 담체 구성물질(Cordierite)인 SiO2와 결합하는 것을 막기위해 담체표면에 Si02박막을 형성하고 고온에서 K 성분이 담체와 반응하기전에 선 반응시켜 K 성분에 의한 담체 구조 파괴를 막아 내구성이 우수한 GDI 차량용 질소산화물(NOx) 흡장 촉매 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 도 1에 나타낸 바와 같이, 코오디어라이트제(Cordierite) 담체에 SiO2성분의 기저체를 포함하는 구조로 이루어진다.
본 발명의 질소산화물 흡장 촉매는 고온산화조건시 촉매층에서 유리된 K 성분이 확산(DIFFUSSION)하여 담체에 도달하기 전에 Si 성분이 K 성분과 미리 반응하게 하여 K-Si의 산화물을 형성함으로써 담체구조 파괴에 의한 균열(CRACK)을 방지할 수 있다.
상기 SiO2박막을 형성하는데 있어서, 촉매물질 층(WASHCOAT)의 성능을 저하시키지 않도록 박막의 두께를 얇게 형성하는 것이 유리하다. 따라서, 본 발명은 SiO2의 파워(POWER)로 코팅층을 형성하기보다는 SiO2의 전구체나 졸(SOL)로서 SiO2박막을 코팅하는 것이 좋다. 본 발명은 SiO2의 박막 두께를 20 ∼ 100 ㎛으로 형성하는 것이 바람직하다.
이러한 본 발명의 질소산화물 흡장 촉매의 제조방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 SiO2의 박막을 코팅하기 위해, 2 ∼ 7 중량%의 SiO2졸 용액으로 담체를 담지(DIPPING)하여 100 ∼ 150 ℃의 온도에서 건조시키고, 500 ∼ 600 ℃의 온도로 소성시켜 SiO2담지량이 최고 10g/L(담체) 이하, 5 ∼ 10 g/L(담체)로 박막을 형성시킨다. 이때, 상기 담지량이 상기 범위 미만이면 K2O가 담체로 쉽게 침투할수 있는 문제가 있고, 담지량이 상기 범위를 초과하면 코팅층을 형성하는데 강도가 약해지는 문제가 있다.
이후, K 성분을 포함한 NOx 흡장형 K2O 촉매를 일반적으로 잘 알려진 방법으로 코팅하여 질소산화물 흡장 촉매를 제조한다.
이하, 본 발명을 다음의 실시예 및 비교예를 통하여 상세히 설명하겠는바, 본 발명이 이들에 한정되는 것은 아니다.
실시예
18 중량%의 SiO2졸 용액으로 담체를 담지(DIPPING)하여 120 ℃의 온도에서 건조시키고, 550 ℃의 온도로 소성시켜 SiO2담지량이 8 g/L(담체)인 박막을 형성시켯다. 이후, 통상적인 방법으로 NOx 흡장형 촉매인 K2O 촉매층을 형성시켜 질소산화물 흡장 촉매를 제조하였다.
실험예
상기 실시예의 촉매를 950 ℃ 이상의 고온의 조건으로 산화시켜 통상의 방법으로 내구성을 시험한 결과, 고온에서 담체구조가 파괴되지 않아 크랙이 발생되지 않음을 확인하였다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 담체 표면에 SiO2박막을 형성시켜 고온산화조건에서 SiO2의 Si성분과 K2O 촉매층의 K 성분이 미리 반응하여 담체와의 반응을 막아 담체의 균열을 방지함으로써 내구성을 향상시킬 수 있다.

Claims (5)

  1. 담체(Cordierite) 및 K2O 촉매층 사이에 SiO2박막을 포함하는 것을 특징으로 하는 질소산화물(NOx) 흡장 촉매.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 SiO2박막의 두께가 20 ∼ 100 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 질소산화물(NOx) 흡장 촉매.
  3. 질소산화물(NOx) 흡장 촉매의 제조방법에 있어서,
    담체(Cordierite) 표면에 SiO2박막을 코팅한 후, 여기에 K2O를 포함하는 촉매층을 코팅하여 제조하는 것을 특징으로 하는 질소산화물(NOx) 흡장 촉매의 제조방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 SiO2박막의 코팅은 담체를 2 ∼ 7 중량%의 SiO2졸 용액에 담지(dipping)하여 100 ∼ 150 ℃의 온도에서 건조시키고 500 ∼ 600 ℃의 온도로 소성시켜 수행하는 것을 특징으로 하는 질소산화물(NOx) 흡장 촉매의 제조방법.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 SiO2의 담지량은 5 ∼ 10 g/L(담체)인 것을 특징으로 하는 질소산화물(NOx) 흡장 촉매의 제조방법.
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