KR20150008887A - 비금속 촉매 조성물 및 모터사이클로부터의 배기물의 처리 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 한 측면은 농후 엔진 가동 조건과 희박 엔진 가동 조건 둘 다 하에서 모터사이클에 의해 생성된 탄화수소, 일산화탄소 및 질소 산화물을 함유하는 가스 스트림을 비금속 촉매 조성물과 접촉시킴으로써 가스 스트림 내의 탄화수소, 일산화탄소 및 질소 산화물의 적어도 일부를 제거하는 것을 포함하는, 모터사이클에 의해 생성된 가스 스트림의 처리 방법에 관한 것이다. 비금속 촉매 조성물은 10 중량% 이상의 환원성 세리아를 포함하는 지지체; 및 상기 환원성 세리아 지지체 상의, 약 3 내지 약 7 중량%의 MnO 및 약 8 내지 약 22 중량%의 CuO를 포함한다. 비금속 촉매 조성물은 탄화수소의 증기 개질 반응 및 수성 가스 전환 반응을 촉진하여, NOx를 저감하기 위한 환원제로서의 H2를 제공하는데 효과적이다.

Description

비금속 촉매 조성물 및 모터사이클로부터의 배기물의 처리 방법 {BASE METAL CATALYST COMPOSITION AND METHODS OF TREATING EXHAUST FROM A MOTORCYCLE}
본 발명의 실시양태는 일반적으로 배기물 스트림 내의 탄화수소, 일산화탄소 및 질소 산화물의 저감 방법에 관한 것이다. 실시양태는 특히 모터사이클에 의해 생성된 배기물 스트림의 처리 방법에 관한 것이다.
엔진 배기물은 종종 탄화수소, 일산화탄소 (CO) 및 질소 산화물 (NOx)과 같은 불완전 연소 화합물을 함유한다. 공기 오염을 제어하고 다양한 정부 규제를 충족시키기 위해서는 이러한 화합물을 엔진 배기물로부터 제거해야 한다. 어려운 배출물 제어 문제를 해결하기 위한 다양한 유형의 엔진 및 연료 구성을 위해 고안된 다양한 시스템이 있다. 여기에는 삼원 촉매(three way catalyst), 근접장착(close-coupled) 촉매뿐만 아니라 필터 또는 촉매화 필터가 포함된다. 이러한 촉매 또는 복합 촉매 시스템은 대부분 Pt, Pd 및 Rh를 포함하는 귀금속을 기재로 한다. 이러한 귀금속 촉매는 이동오염원(mobile) 배출물 제어에 효과적이고 산업에서 상업화되기는 했지만, 귀금속은 매우 비싸다. 이러한 높은 비용은 이러한 촉매의 광범위한 응용에 있어서 결정적인 인자로 남아있다. 점점 엄격해지는 규제를 충족시키기 위해서 이동오염원으로부터 HC, CO 및 NOx 화합물을 효과적으로 제거하기 위한 대안적인, 보다 싼 촉매가 여전히 필요하다.
한 가능한 대안은 비금속을 사용하는 것이었다. 비금속은 풍부하게 존재하고 귀금속보다 훨씬 싸다. 배출물 제어를 위한 비금속-기재의 촉매를 개발하려는 여러 가지 시도가 있었다. 그러나, 이러한 각 시도에는 문제점이 수반되었다. 예를 들어, AB2O4 및 페로브스카이트(perovskite) 유형의 결정인 ABO3의 형성을 초래하는 일부 모노리스(monolith) 촉매가 제조되었다. 그러나, 페로브스카이트 구조가 형성되면 촉매 표면적이 현저히 감소한다. 다른 시도에서는, Cr이 사용되었다. 그러나, Cr은 독성이 강하다. Zn과 Cr 둘 다를 함유하는 비금속 배합물은 Zn 손실로 인한 촉매 탈활성화 및 Cr의 독성으로 인한 규제 장벽을 초래하는 경향이 있다. 다른 비금속 촉매는 허용 가능한 오염원 감소 수준을 도저히 달성할 수 없었다.
또한, 상기 촉매가 매우 유리할 한 분야는 모터사이클에 의해 생성된 배기물의 처리이다. 모터사이클은 자동차에 대한 보다 저렴한 대안이며, 따라서 인기가 매우 높아졌다. 이는 특히 세계의 일부 지역의 경우에, 특히 모터사이클이 인기가 매우 높아져서 자동차를 숫적으로 능가하는 아시아의 일부 지역에서 그러하다. 따라서, 저렴하면서도 여전히 효과적인 촉매가 여전히 필요하다. 특히, 이동오염원 응용품, 특히 모터사이클을 위한 상기 촉매가 필요하다.
<요약>
본 발명의 한 측면은 10 중량% 이상의 환원성 세리아를 포함하는 지지체; 및 상기 환원성 세리아 지지체 상의, 약 3 내지 약 7 중량%의 MnO 및 약 8 내지 약 22 중량%의 CuO를 포함하는, 농후 엔진 가동 조건과 희박 엔진 가동 조건 둘 다 하에서 탄화수소, 일산화탄소 및 질소 산화물의 저감을 촉매하기에 효과적인 비금속 촉매 조성물에 관한 것이다. 하나 이상의 실시양태에서, 각 반응의 동역학은 엔진 가동 역학의 농후-희박 사이클에 부합한다. 일부 실시양태에서, MnO의 양은 약 5 중량%이다. 하나 이상의 실시양태에서, CuO의 양은 약 8 내지 약 12 중량%이다. 추가의 실시양태에서, CuO의 양은 약 10 중량%이다. 일부 실시양태에서, CuO의 양은 약 18 내지 약 22 중량%이다. 추가의 실시양태에서, CuO의 양은 약 20 중량%이다.
하나 이상의 실시양태에서, 촉매는 HC, CO 및 NOx의 거의 완전한 전환을 위해 필요한, 농후 가동 동안에 열역학적 극한의 산화제 및 희박 가동 동안에 열역학적 극한의 환원제, 및 반응 동역학을 제공한다. 일부 실시양태에서, 지지체는 35 중량% 이상의 환원성 세리아를 포함한다. 하나 이상의 실시양태에서, 지지체는 99 중량% 이하의 환원성 세리아를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면은 본원에서 기술되는 임의의 비금속 촉매 조성물을 사용하여 모터사이클에 의해 생성된 가스 스트림을 처리하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 농후 엔진 가동 조건과 희박 엔진 가동 조건 둘 다 하에서 모터사이클에 의해 생성된 탄화수소, 일산화탄소 및 질소 산화물을 함유하는 가스 스트림을, 10 중량% 이상의 환원성 세리아를 포함하는 지지체; 및 상기 환원성 세리아 지지체 상의, 약 3 내지 약 7 중량%의 MnO 및 약 8 내지 약 22 중량%의 CuO를 포함하는, 탄화수소의 증기 개질 반응 및 수성 가스 전환 반응을 촉진하여, NOx를 저감하기 위한 환원제로서의 H2를 제공하는데 효과적인 비금속 촉매 조성물과 접촉시킴으로써 가스 스트림 내의 탄화수소, 일산화탄소 및 질소 산화물의 적어도 일부를 제거하는 것을 포함한다.
하나 이상의 실시양태에서, 각 반응의 동역학은 엔진 가동 역학의 농후-희박 사이클에 부합한다. 일부 실시양태에서, MnO의 양은 약 5 중량%이다. 하나 이상의 실시양태에서, CuO의 양은 약 8 내지 약 12 중량%이다. 추가의 실시양태에서, CuO의 양은 약 10 중량%이다. 일부 실시양태에서, CuO의 양은 약 18 내지 약 22 중량%이다. 추가의 실시양태에서, CuO의 양은 약 20 중량%이다.
일부 실시양태에서, 각 반응의 동역학은 엔진 가동 역학의 농후-희박 사이클에 부합한다. 하나 이상의 실시양태에서, 촉매는 HC, CO 및 NOx의 거의 완전한 전환을 위해 필요한, 농후 가동 동안에 열역학적 극한의 산화제 및 희박 가동 동안에 열역학적 극한의 환원제, 및 반응 동역학을 제공한다. 일부 실시양태에서, 지지체는 35 중량% 이상의 환원성 세리아를 포함한다. 하나 이상의 실시양태에서, 지지체는 99 중량% 이하의 환원성 세리아를 포함한다.
상기에서 언급된 본 발명의 특징이 달성되고 상세하게 이해될 수 있도록, 상기에서 간략하게 요약된 본 발명은 첨부된 도면에 도시된 그의 실시양태를 참조로 하여 보다 상세하게 기술될 수 있다. 그러나, 첨부된 도면은 본 발명의 단지 전형적인 실시양태를 도시하며, 따라서 그의 범주를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다는 점에 유의해야 하는데, 왜냐하면 본 발명은 다른 동등하게 효과적인 실시양태를 가질 수 있기 때문이다.
도 1a 내지 1c는 각각 미처리 배출물 및 본 발명의 하나 이상의 실시양태에 따른 2종의 촉매 조성물과 접촉된 후의 배출물에 대한, 농후 조건 하에서의 모터사이클 시험의 CO 배출량을 보여준다.
도 2a 내지 2c는 각각 미처리 배출물 및 본 발명의 하나 이상의 실시양태에 따른 2종의 촉매 조성물과 접촉된 후의 배출물에 대한, 농후 조건 하에서의 모터사이클 시험의 총 탄화수소 (THC) 배출량을 보여준다.
도 3a 내지 3c는 각각 미처리 배출물 및 본 발명의 하나 이상의 실시양태에 따른 2종의 촉매 조성물과 접촉된 후의 배출물에 대한, 농후 조건 하에서의 모터사이클 시험의 NOx 배출량을 보여준다.
도 4a 내지 4c는 각각 미처리 배출물 및 본 발명의 하나 이상의 실시양태에 따른 2종의 촉매 조성물과 접촉된 후의 배출물에 대한, 희박 조건 하에서의 모터사이클 시험의 CO 배출량을 보여준다.
도 5a 내지 5c는 각각 미처리 배출물 및 본 발명의 하나 이상의 실시양태에 따른 2종의 촉매 조성물과 접촉된 후의 배출물에 대한, 희박 조건 하에서의 모터사이클 시험의 THC 배출량을 보여준다.
도 6a 내지 6c는 각각 미처리 배출물 및 본 발명의 하나 이상의 실시양태에 따른 2종의 촉매 조성물과 접촉된 후의 배출물에 대한, 희박 조건 하에서의 모터사이클 시험의 NOx 배출량을 보여준다.
본 발명의 여러 가지 예시적인 실시양태가 기술되기 전에, 본 발명은 하기 내용에 기재되는 구성 또는 공정 단계의 세부사항으로만 제한되는 것은 아니라는 것을 이해해야 한다. 본 발명은 다른 실시양태를 가질 수 있고 다양한 방식으로 실행 또는 수행될 수 있다.
본원에서는 MnO 및 CuO 비금속 촉매 및 이를 사용하여 모터사이클 엔진에 의해 생성된 오염물을 저감하는 방법이 제공된다.
따라서, 본 발명의 한 측면은 모터사이클에 의해 생성된 가스 스트림의 처리 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 농후 엔진 가동 조건과 희박 엔진 가동 조건 둘 다 하에서 모터사이클에 의해 생성된 탄화수소, 일산화탄소 및 질소 산화물을 함유하는 가스 스트림을, 10 중량% 이상의 환원성 세리아를 포함하는 지지체; 및 상기 환원성 세리아 지지체 상의, 약 3 내지 약 7 중량%의 MnO 및 약 8 내지 약 22 중량%의 CuO를 포함하는, 탄화수소의 증기 개질 반응 및 수성 가스 전환 반응을 촉진하여, NOx를 저감하기 위한 환원제로서의 H2를 제공하는데 효과적인 비금속 촉매 조성물과 접촉시킴으로써 가스 스트림 내의 탄화수소, 일산화탄소 및 질소 산화물의 적어도 일부를 제거하는 것을 포함한다. 추가의 실시양태에서, MnO의 양은 약 4 내지 약 6 중량%의 범위이고, 추가의 실시양태에서 약 5 중량%이다. 하나 이상의 실시양태에서, CuO의 양은 약 8 내지 약 12 중량%, 보다 특히는 약 10 중량%이다. 다른 실시양태에서, CuO의 양은 약 18 내지 약 22 중량%, 보다 특히는 약 20 중량%이다.
본 발명의 또 다른 측면은 비금속 촉매 조성물 그 자체에 관한 것이다. 즉, 이러한 측면은 10 중량% 이상의 환원성 세리아를 포함하는 지지체; 및 상기 환원성 세리아 지지체 상의, 약 3 내지 약 7 중량%의 MnO 및 약 8 내지 약 22 중량%의 CuO를 포함하는, 농후 엔진 가동 조건과 희박 엔진 가동 조건 둘 다 하에서 탄화수소, 일산화탄소 및 질소 산화물의 저감을 촉매하기에 효과적인 비금속 촉매 조성물에 관한 것이다. 방법 청구항과 관련하여 기술된 상기 임의의 변형예는 촉매 조성물에도 적용될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 추가의 실시양태에서, MnO의 양은 약 4 내지 약 6 중량%의 범위이고, 추가의 실시양태에서 약 5 중량%이다. 하나 이상의 실시양태에서, CuO의 양은 약 8 내지 약 12 중량%, 보다 특히는 약 10 중량%이다. 다른 실시양태에서, CuO의 양은 약 18 내지 약 22 중량%, 보다 특히는 약 20 중량%이다.
하나 이상의 실시양태에서, 각 반응의 동역학은 엔진 가동 역학의 농후-희박 사이클에 부합한다. 하나 이상의 다른 실시양태에서, 촉매는 HC, CO 및 NOx의 거의 완전한 전환을 위해 필요한, 농후 가동 동안에 열역학적 극한의 산화제 및 희박 가동 동안에 열역학적 극한의 환원제, 및 반응 동역학을 제공한다.
어떠한 특정 이론에 얽매이는 것을 원하지는 않지만, 본 발명의 하나 이상의 실시양태에 따른 비금속 촉매는, 각 반응의 동역학이 엔진 가동의 농후-희박 사이클의 역학에 부합하도록 탄화수소, CO 및 NOx의 저감과 관련된 다양한 반응을 촉진한다고 생각된다.
이동오염원 배출물은 다양한 운전 사이클 동안에 변동하는 가스 조성 및 유량 (부피)을 가짐을 특징으로 한다. 소위 "농후 조건" 하에서는, 배기물의 공연비(air-to-fuel ratio)는 탄화수소 및 CO의 완전한 산화 및 NOx의 완전한 환원을 위해 요구되는 화학양론적 비보다 작다. 마찬가지로, 해당 분야에서 "희박 조건"이라고 공지된 조건 하에서는, CO 및 탄화수소 산화를 위해 충분한 정도보다 많은 산소를 제공하는 과량의 공기가 공급된다. 그러나 희박 조건 하에서는, NOx 환원을 위한 환원제가 충분하지 않다.
또한, 엔진 배출물의 온도는 운전 사이클의 단계, 연료의 유형, 및 엔진 기술에 따라 달라질 수 있다. 배출가스는 또한 연소 부산물로서의 증기를 약 10 %의 수준으로 함유한다. 따라서, 농후 조건과 희박 조건 둘 다 하에서 HC, CO 및 NOx를 동시에 전환시키기 위해서는, 물 활성화가 중요하다. 농후 조건 하에서는, 탄화수소의 증기 개질 및 수성 가스 전환 반응에 의해 산화제 (O2)의 결핍이 메꿔질 수 있다. 마찬가지로, 개질 및 수성 가스 전환 반응에 의해, 희박 조건 하에서의 NOx 전환을 위한, 탄화수소 및 CO보다 효율적인 환원제 (H2)가 생성될 수 있다. 이러한 촉진되는 반응은 하기에 열거되어 있다:
CO : 수성 가스 전환/산화:
CO + H2O → CO2 + H2
CO + O2 → CO2
탄화수소: 개질/산화:
HC + O2 → CO2 + H2O
HC + H2O → CO2 + H2 + CO
NO x : 선택적 촉매작용적 환원 (환원제로서 HC , CO 및 H 2 )
NOx + CO/HC → N2 + CO2
NOx + H2 → N2 + H2O
다른 반응들:
H2 + O2 → H2O
산소 저장 성분 ( OSC ) 산화환원 반응
즉, Ce2O3 + O2 → CeO2
따라서, 물 활성화를 통해, 본 발명의 하나 이상의 실시양태는 농후 가동 사이클과 희박 가동 사이클 둘 다 하에서 HC, CO 및 NOx의 거의 완전한 전환을 위해 필요한 열역학적 극한의 산화제/환원제 및 반응 동역학을 제공한다. 이러한 배합물은 고체 혼합 상 또는 지지된 혼합 상 내의 혼합된 비금속 산화물을 함유한다. 따라서, 본 발명의 하나 이상의 실시양태에서, 각 반응의 동역학은 엔진 가동 역학의 농후-희박 사이클에 부합한다. 또 다른 실시양태에서, 촉매는 HC, CO 및 NOx의 거의 완전한 전환을 위해 필요한, 농후 가동 동안의 열역학적 극한의 산화제 및 희박 가동 동안의 열역학적 극한의 환원제, 및 반응 동역학을 제공한다.
하나 이상의 실시양태에서, 촉매 지지체는 배출 조건 하에서 원자가 상태가 변할 수 있는 산소 저장 성분 (OSC)을 함유한다. 한 실시양태에서, OSC는 세리아이다. 추가의 실시양태에서, 지지체는 35 중량% 이상의 환원성 세리아를 포함한다. 또 다른 실시양태에서, 지지체는 약 99 중량% 이하의 환원성 세리아를 포함한다.
제조
본 발명의 또 다른 측면은 본원에서 기술되는 방법에서 사용되는 촉매의 제조 방법에 관한 것이다. 하나 이상의 실시양태에서, OSC를 습식 화학 공정, 예컨대 공침, 노화, 건조 및 하소 또는 화학적 증착 (CVD)의 건식 공정, 에어로졸 스프레이 건조/하소, 플라스마 또는 다른 공정을 통해 고체상 혼합물로서 제조할 수 있다. 지지체로서 예비-형성된 산화물을 사용하지 않고서 촉매 제조 동안에 이러한 원소를 활성 비금속 성분들과 함께 첨가할 수도 있다.
하나 이상의 실시양태에서, 비금속 촉매는 모노리스 담체-지지된 촉매로서 사용된다. 본원에서 기술되는 촉매의 제조에 대한 많은 적합한 변형예가 있다. 활성 비금속 촉매 배합물은 이동오염원 배출물 응용을 위해 모노리스 구조물의 표면 상에 코팅될 수 있다. 모노리스 구조물은 높은 기하학적 표면적, 탁월한 열적 및 기계적 강도를 제공하며, 따라서 이동오염원 배출물 제어에 특히 적합하다. 세라믹, 금속, 예컨대 페크랄로이(Fecralloy)®, 스테인레스강 및 다른 금속 또는 합금을 포함하는 임의의 모노리스 구조물이 사용될 수 있다. 모노리스는 직선형 채널 또는 패턴 채널일 수 있거나 발포체 또는 다른 구조일 수 있다.
활성 촉매를, 슬러리 코팅, 스프레이 코팅 등을 포함하는 임의의 적합한 공정을 사용하여 모노리스 표면에 적용할 수 있다. 비금속을 해당 분야의 통상의 숙련자에게 충분히 공지된 화학물질을 사용하여 적용할 수 있다. 예를 들어, 망가니즈 및 구리를 그의 각각의 질산염 용액을 사용하여 적용할 수 있다.
지지된 비금속 배합물에 관한 실시양태에서, 예비-제조된 지지체를 활성 비금속 또는 비금속의 조합의 용액의 함침에 사용할 수 있다. 상기 예비-제조된 지지체의 예는 세리아-알루미나를 포함하지만 이로만 제한되는 것은 아니다. 이어서 그 결과의 촉매를 적합한 결합제와 혼합할 수 있다. 대안으로, 그 결과의 촉매를 우선 하소시키고, 이어서 결합제와 혼합하여 모노리스 코팅을 위해 적합한 슬러리를 제조할 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 하나의 지지체에 침착된 1종 이상의 활성 비금속을 또 다른 지지체에 침착된 다른 비금속 촉매와 혼합하여 모노리스 워시코팅을 위한 슬러리를 제조할 수 있다.
이어서 최종 코팅된 모노리스 촉매를 120℃에서 2 시간 동안 건조시키고 약 300 내지 약 1000℃ 범위의 온도에서 하소시킬 수 있다. 다른 실시양태에서는, 촉매를 약 400 내지 약 950℃ 범위의 온도에서 하소시킨다. 추가의 실시양태에서는, 촉매를 약 450 내지 약 500℃ 범위의 온도에서 하소시킨다.
예비-제조된 지지체를 촉매의 제조에서 사용하지 않는 경우에, 원하는 비금속을 OSC 및 OSC 촉진제와 혼합하여 균질한 용액을 형성할 수 있다. 이어서, 공침을 위해, 예를 들어 NH4OH, 아민, 또는 다른 구조 유도제 (예컨대 중합체 또는 계면활성제)를 첨가함으로써 용액의 pH를 조절할 수 있다. 이어서 모액을 노화시켜 모노리스 코팅을 위해 적합한 입자 크기를 수득할 수 있다. 또한, 건조 및 하소를 위해 침전물을 여과를 통해 분리할 수 있다. 이어서 하소된 비금속 고체상 혼합물을 슬러리 및 모노리스 코팅을 제조하는데 사용한다.
<실시예>
본 개시 내용의 취지로부터 벗어나지 않게 이동오염원 배출물 제어를 위한 비금속 촉매를 제조하는, 본 개시 내용을 바탕으로 만들어질 수 있는 많은 변형예 및 조합이 있다. 하기 실시예 및 실시양태는 단지 예시를 목적으로 주어질 뿐이며 본 발명을 제한하는 것으로 사용되어서는 안 된다.
실시예 1
Mn 및 Cu 질산염을 물과 혼합하여 세리아 산화물의 초기 습식 함침을 위한 용액을 만들었다. 함침된 촉매의 금속 담지량은 세리아 상의 5 중량% MnO2 및 10 중량% CuO였다. 이어서 함침된 샘플을 물 및 알루미나 결합제 (3 중량%)와 혼합하여 약 35 중량%의 고체를 함유하는 슬러리를 형성하였다. 이어서 혼합물을, 90 %에 해당하는 입자가 10 마이크로미터 미만의 직경을 갖도록, 밀링하였다.
이어서 300 cpsi의 셀 밀도를 갖는 세라믹 모노리스 기재 (40 ㎜ 직경 × 90 ㎜ 길이)를 모노리스 촉매의 제조에 사용하였다. 딥-코팅 방법을 사용하여 촉매를 모노리스 표면 상에 침착시켰다. 이어서, 딥-코팅 후에, 모노리스를 120℃에서 2 시간 동안 건조시키고 500℃에서 2 시간 동안 하소시켰다. 촉매 워시코트 담지량은 2 g/in3이었다.
실시예 2
본 실시예에서 기술되는 모노리스 촉매를, 촉매 워시코트가 20 중량% CuO를 함유한다는 것을 제외하고는 실시예 1에 대해 기술된 바와 동일한 절차에 따라 제조하였다.
성능 시험
상기 실시예에서 기술된 촉매의 성능을 유로 3(Euro 3) (ECE 40 모드) 모터사이클 시험 프로토콜을 사용하여 시험하였다. 표 1은 실시예 1 및 2에서 세라믹 모노리스 촉매 (40 ㎜ D × 90 ㎜ L)를 사용했을 때의 모터사이클 시험 데이터를 요약한 것을 보여준다.
Figure pct00001
상세한 배출물 시험 프로토콜을 또한 농후 및 희박 조건 하에서 수득하였다. 도 1a 내지 1c는 농후 조건 하에서의 모터사이클 엔진의 CO 배출량을 보여준다. 특히는, 도 1a는 미처리 배출물을 보여주는 반면에, 도 1b 및 1c는 각각 실시예 1 및 2의 촉매 조성물과의 접촉 후의 CO 배출량을 보여준다. 도 2a 내지 2c는 각각 미처리 배출물 및 실시예 1 및 2의 촉매 조성물과 접촉된 후의 배출물에 대한, 농후 조건 하에서의 모터사이클 시험의 총 탄화수소 (THC) 배출량을 보여준다. 도 3a 내지 3c는 각각 미처리 배출물 및 실시예 1 및 2의 촉매 조성물과 접촉된 후의 배출물에 대한, 농후 조건 하에서의 모터사이클 시험의 NOx 배출량을 보여준다. 이러한 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, THC, CO 및 NOx의 배출량은 모두, 최초 시동 (약 200 초) 후에 미처리 배출물이 실시예 1 및 2의 촉매 조성물과 접촉한 후에 농후 조건 하에서 크게 감소한다. 촉매 배합비, 워시코트 담지량 및 촉매의 구조뿐만 아니라 반응기 디자인을 최적화함으로써, 두 농후 조건 하에서의 THC, CO 및 NOx의 전환을 추가로 개선할 수 있다.
도 4a 내지 4c는 각각 미처리 배출물 및 실시예 1의 촉매 조성물과 접촉된 후의 배출물에 대한, 희박 조건 하에서의 모터사이클 엔진의 CO 배출량을 보여준다. 최초 냉간 시동 (약 2 내지 3 분) 후에, 촉매 실시예 1과 실시예 2 둘 다의 경우에 CO 배출량의 현저한 감소가 관찰되었다 (도 4b 및 4c). 도 5a 내지 5c는 각각 미처리 배출물 및 실시예 1의 촉매 조성물과 접촉된 후의 배출물에 대한, 희박 조건 하에서의 모터사이클 엔진의 총 탄화수소 (THC) 배출량을 보여준다. 최초 시동 후에, 실시예 1과 실시예 2의 경우에 THC 배출량의 현저한 감소가 관찰되었다 (도 5b 및 5c). 도 6a 내지 6c는 각각 미처리 배출물 및 실시예 1의 촉매 조성물과 접촉된 후의 배출물에 대한, 희박 조건 하에서의 모터사이클 엔진의 NOx 배출량을 보여준다. 도면 (도 6b 및 6c)으로부터 알 수 있는 바와 같이, 희박 조건 하에서의 NOx 감소는 여전히 어려운 문제이다. 그러나, THC 및 CO의 배출량은 모두, 미처리 배출물이 실시예 1 및 2의 촉매 조성물과 접촉한 후에 희박 조건 하에서 크게 감소한다. 효율적인 NOx 감소를 CO 및 THC 산화와 동시에 달성할 수 있도록 촉매 배합비 및 반응기 디자인을 조정함으로써 삼원 촉매 활성을 추가로 개선할 수 있다.
본 명세서 전체에 걸쳐 언급된 "한 실시양태", "특정한 실시양태", "하나 이상의 실시양태" 또는 "실시양태"는 상기 실시양태와 관련하여 기술된 특정한 특징, 구조, 물질 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시양태에 포함됨을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전체에 걸쳐 다양한 위치에서 언급된 "하나 이상의 실시양태에서", "특정한 실시양태에서", "한 실시양태에서" 또는 "실시양태에서"와 같은 문구가 반드시 본 발명의 동일한 실시양태를 지칭할 필요는 없다. 더욱이, 특정한 특징, 구조, 물질 또는 특성은 하나 이상의 실시양태에서 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있다.
본원에서 본 발명이 특정한 실시양태와 관련하여 기술되었지만 이러한 실시양태는 단지 본 발명의 원리 및 응용을 예시할 뿐이라는 것을 이해해야 한다. 해당 분야의 숙련자라면, 본 발명의 취지 및 범주에서 벗어나지 않게 본 발명의 방법 및 장치에 대해 다양한 변경 및 변형예를 만들 수 있다는 것을 명백히 알 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구항 및 그의 동등물의 범주 내에 있는 변경 및 변형예를 포함하고자 한다.

Claims (15)

10 중량% 이상의 환원성 세리아를 포함하는 지지체; 및
환원성 세리아 지지체 상의, 약 3 내지 약 7 중량%의 MnO 및 약 8 내지 약 22 중량%의 CuO
를 포함하는, 농후 엔진 가동 조건과 희박 엔진 가동 조건 둘 다 하에서 탄화수소, 일산화탄소 및 질소 산화물의 저감을 촉매하기에 효과적인 비금속 촉매 조성물.
제1항에 있어서, 각 반응의 동역학이 엔진 가동 역학의 농후-희박 사이클에 부합하는 것인 촉매 조성물.
제1항 또는 제2항에 있어서, MnO의 양이 약 5 중량%인 촉매 조성물.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, CuO의 양이 약 8 내지 약 12 중량%, 또는 보다 바람직하게는 약 10 중량%인 촉매 조성물.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, CuO의 양이 약 18 내지 약 22 중량%, 또는 보다 바람직하게는 약 20 중량%인 촉매 조성물.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 촉매가 HC, CO 및 NOx의 거의 완전한 전환을 위해 필요한, 농후 가동 동안에 열역학적 극한의 산화제 및 희박 가동 동안에 열역학적 극한의 환원제, 및 반응 동역학을 제공하는 것인 촉매 조성물.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 지지체가 35 중량% 이상의 환원성 세리아를 포함하는 것인 촉매 조성물.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 지지체가 99 중량% 이하의 환원성 세리아를 포함하는 것인 촉매 조성물.
농후 엔진 가동 조건과 희박 엔진 가동 조건 둘 다 하에서 모터사이클에 의해 생성된 탄화수소, 일산화탄소 및 질소 산화물을 함유하는 가스 스트림을,
10 중량% 이상의 환원성 세리아를 포함하는 지지체; 및
환원성 세리아 지지체 상의, 약 3 내지 약 7 중량%의 MnO 및 약 8 내지 약 22 중량%의 CuO
를 포함하는, 탄화수소의 증기 개질 반응 및 수성 가스 전환 반응을 촉진하여, NOx를 저감하기 위한 환원제로서의 H2를 제공하는데 효과적인 비금속 촉매 조성물과
접촉시킴으로써 가스 스트림 내의 탄화수소, 일산화탄소 및 질소 산화물의 적어도 일부를 제거하는 것을 포함하는, 모터사이클에 의해 생성된 가스 스트림의 처리 방법.
제9항에 있어서, MnO의 양이 약 5 중량%인 방법.
제9항 또는 제10항에 있어서, CuO의 양이 약 8 내지 약 12 중량%, 또는 보다 바람직하게는 약 10 중량%인 방법.
제9항 또는 제10항에 있어서, CuO의 양이 약 18 내지 약 22 중량%, 또는 보다 바람직하게는 약 20 중량%인 방법.
제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 각 반응의 동역학이 엔진 가동 역학의 농후-희박 사이클에 부합하는 것인 방법.
제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 촉매가 HC, CO 및 NOx의 거의 완전한 전환을 위해 필요한, 농후 가동 동안에 열역학적 극한의 산화제 및 희박 가동 동안에 열역학적 극한의 환원제, 및 반응 동역학을 제공하는 것인 방법.
제9항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 지지체가 35 중량% 이상 및 99 중량% 이하의 환원성 세리아를 포함하는 것인 방법.
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