KR20230079420A - 비스무트를 함유하는 디젤 산화 촉매 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 말단 a와 b 사이에 연장되는 길이 L을 갖는 지지 기재, 및 4개의 물질 구역 A, B, C, 및 D를 포함하고, 여기서 물질 구역 B는 비스무트를 포함하는, 촉매에 관한 것이다.
Description
본 발명은 복수의 촉매 활성 물질 구역을 포함하고 하나의 물질 구역이 비스무트를 함유하는 디젤 산화 촉매에 관한 것이다.
디젤 엔진과 같은 린번 연소 엔진(lean-burn combustion engine)에 의해 작동되는 자동차의 배기 가스는 일산화탄소(CO) 및 질소 산화물(NOx) 이외에도, 상기 실린더의 연소실 내의 연료의 불완전 연소로부터 유래되는 성분들을 또한 함유한다. 대부분 기체로 존재하는 잔류 탄화수소(HC) 이외에도, 이들은 "디젤 그을음(diesel soot)" 또는 "그을음 미립자(soot particles)"로도 불리는 미립자 배출물을 포함한다.
이러한 배기 가스를 세정하기 위해, 상기 열거된 성분은 무해한 화합물로 되도록 가능한 한 완전히 변환되어야 하며 이는 적합한 촉매를 사용해야만 가능하다.
탄화수소(HC)와 일산화탄소(CO)는 디젤 산화 촉매(DOC)를 사용하여 산화될 수 있다. 종래의 디젤 산화 촉매는 특히 적합한 담체 산화물, 예를 들어 산화알루미늄 상에 백금 및/또는 팔라듐을 함유한다.
산소의 존재하에 배기 가스로부터 질소 산화물을 제거하기 위한 널리 공지된 방법으로는, 적합한 촉매 상에서의 암모니아에 의한 선택적 촉매 환원(SCR)이 있다. 이러한 공정에서, 배기 가스로부터 제거되어야 하는 질소 산화물은, 암모니아를 사용하여 질소와 물로 변환된다.
그을음 미립자는 디젤 미립자 필터(DPF)의 사용으로 배기 가스로부터 매우 효과적으로 제거될 수 있으며, 세라믹 물질로 만든 벽 유동 필터(wall flow filter)가 특히 유용한 것으로 입증되어 있다. 미립자 필터에 또한 촉매 활성 코팅이 제공될 수 있다. 예를 들면, EP 1820561 A1에는 디젤 미립자 필터를 촉매 층으로 코팅하여, 여과된 그을음 미립자의 연소를 촉진하는 것이 개시되어 있다. 디젤 미립자 필터는 SCR 촉매로 코팅할 수도 있으며 간단히 SDPF라고 한다.
디젤 엔진의 배기가스 후처리에는 상기 언급된 성분들 중 2개 이상으로 구성된 배기가스 후처리 시스템이 사용된다. 이러한 시스템의 중요한 성분은 디젤 산화 촉매다. 그 목적은 주로 일산화탄소와 탄화수소를 반응시키는 것이지만, 일산화질소(NO)를 산화하여 DPF, SCR 및 SDPF와 같이 유출측에 배열된 성분에 필요한 이산화질소(NO2)를 형성하는 것이기도 하다.
넓은 작동 범위에서 언급된 오염 물질에 반응하는 배기 가스 후처리 시스템은 향후 법률을 준수하는 데 필요하다. 이러한 맥락에서, 한편으로는 가능한 가장 낮은 온도에서 일산화탄소와 탄화수소를 반응시키고, 다른 한편으로는 전체 작동 범위에 걸쳐 충분한 이산화질소를 제공하는 디젤 산화 촉매의 개발 및 최적화는 기술적 과제이다.
본 발명에 이르러, 촉매 상에 이러한 방식으로 배열된 비스무트 함유 물질 구역을 갖는 디젤 산화 촉매가 이러한 기술적 과제를 충족한다는 것이 밝혀졌다.
비스무트를 포함하는 디젤 산화 촉매는 이미 알려져 있다. 예를 들어, US 5,911,961은 백금과 비스무트가 이산화티타늄 상에 지지된 촉매를 개시하고 있다.
EP 1 927 399 A2에는 산화알루미늄, 및 백금을 운반하는 비스무트를 포함하는 담체 물질이 개시되어 있다.
US 2003/027719는 팔라듐 및 은, 팔라듐의 가장 가까운 이웃으로서 비스무트를 포함하는 산화 촉매에 관한 것이다.
US 2012/302439에는 비스무트 및/또는 망간으로 도핑된 팔라듐-금 촉매가 개시되어 있다.
WO 2017/064498 A1에는 비스무트 또는 안티몬과 백금족 금속을 함유하는 산화 촉매가 개시되어 있다.
본 발명은, 말단(end) a와 b 사이에 연장되어 있는 길이 L을 갖는 담체 기재, 및 4개의 물질 구역 A, B, C, 및 D를 포함하는, 촉매에 관한 것으로, 여기서,
● 물질 구역 A는 말단 a에서 길이 L의 일부에 걸쳐 연장되며 백금을 포함하고 팔라듐을 포함하지 않거나, 팔라듐을 포함하고 백금을 포함하지 않거나, 또는 백금 및 팔라듐을 포함하고;
● 물질 구역 B는 말단 b에서 길이 L의 일부에 걸쳐 연장되며 백금 및 비스무트를 포함하고;
LA + LB = L이고, 여기서 LA는 물질 구역 A의 길이이고, LB는 물질 구역 B의 길이이며;
● 물질 구역 C는 말단 a에서 길이 L의 일부에 걸쳐 연장되며 백금을 포함하고 팔라듐을 포함하지 않거나, 팔라듐을 포함하고 백금을 포함하지 않거나, 또는 백금 및 팔라듐을 포함하고;
● 물질 구역 D는 말단 b에서 길이 L의 일부에 걸쳐 연장되며 백금을 포함하고 팔라듐을 포함하지 않거나, 팔라듐을 포함하고 백금을 포함하지 않거나, 또는 백금 및 팔라듐을 포함하고;
LC + LD = L이고, 여기서 LC는 물질 구역 C의 길이이고, LD는 물질 구역 D의 길이이며;
여기서 물질 구역 C 및 D는 물질 구역 A 및 B 상에 배열된다.
물질 구역 A는 특히 10:1 내지 1:5, 바람직하게는 3:1내지 1:3의 중량비로 백금 및 팔라듐을 포함한다.
백금 및 팔라듐은 물질 구역 A에서, 바람직하게는 10 내지 200g/ft3, 예를 들어 20 내지 180g/ft3 또는 40 내지 150g/ft3의 양으로 존재하고, 명시된 양은 백금 및 팔라듐의 합이다.
물질 구역 A가 백금 및 팔라듐을 포함하는 경우, 바람직하게는 비스무트를 포함하지 않는다.
물질 구역 B에서 백금 및 팔라듐은 일반적으로 담체 물질 상에 존재한다. 이러한 목적을 위해 당업자에게 익숙한 모든 물질은 담체 물질로 간주된다. 이는 BET 표면적(DIN 66132에 따라 결정됨)이 30 내지 250m2/g, 바람직하게는 100 내지 200m2/g이며, 특히 산화알루미늄, 산화규소, 산화마그네슘, 산화티타늄, 세륨/티타늄 혼합 산화물 뿐만 아니라 이들 물질 중 2종 이상의 혼합물 또는 혼합 산화물이다.
산화알루미늄, 세륨/티타늄 혼합 산화물, 마그네슘/알루미늄 혼합 산화물, 알루미늄/규소 혼합 산화물이 바람직하다. 산화알루미늄이 사용되는 경우, 특히 바람직하게는 예를 들어 1 내지 6중량%, 특히 4중량%의 산화란타늄으로 안정화된다.
알루미늄/규소 혼합 산화물을 사용하는 경우, 특히 산화규소 함량은 5 내지 30중량%, 바람직하게는 5 내지 10중량%이다.
물질 구역 A는 특히 탄화수소의 산화를 위하여 물질 구역 A의 라이트 오프(light-off) 미만의 온도에서 탄화수소를 저장하기 위한 물질일 수 있다. 그러한 저장 물질은 특히 채널이 탄화수소를 수용하기에 충분히 큰 제올라이트이다. 이러한 목적에 바람직한 제올라이트는 BEA 구조 유형의 제올라이트이다.
물질 구역 B는 예를 들어 산화 비스무트(Bi2O3) 형태의 비스무트를 포함하고; 그러나, 이는 특히 알루미늄, 또는 알루미늄 및 규소와의 복합 산화물의 형태로 존재하며, 여기서 상기 규소 함량은 알루미늄 및 산화규소의 중량을 기준으로 예를 들어 5 내지 30중량%, 바람직하게는 5 내지 15중량%이다. 비스무트는 예를 들어 복합 산화물을 기준으로 1 내지 15중량%, 바람직하게는 2 내지 7중량%의 양으로 존재하고 원소 비스무트로서 계산된다.
본 발명에 따르면, 복합 산화물은 이상적으로 백금을 위한 담체 물질로서 기능한다.
알루미늄 및 비스무트, 또는 알루미늄, 규소 및 비스무트의 복합 산화물을 기준으로 백금 금속으로 계산하여, 백금은 특히 10 내지 200g/ft3, 예를 들어 20 내지 180g/ft3 또는 40 내지 150g/ft3의 양으로 존재한다.
물질 구역 B는 바람직하게는 팔라듐을 포함하지 않는다.
물질 구역의 길이 LA 및 LB는 함께 담체 기재의 길이(L)에 대응한다. 물질 구역 LA는 특히 길이 L의 20 내지 80%, 바람직하게는 40 내지 60%의 길이를 갖는다. 바람직한 양태에서, LA 및 LB는 각각 길이 L의 50%에 걸쳐 연장된다.
물질 구역 C는 바람직하게는 백금을 포함하고 팔라듐을 포함하지 않거나, 또는 백금 및 팔라듐을 특히 20:1 내지 1:1, 바람직하게는 14:1 내지 2:1의 중량비로 포함한다.
백금 및 팔라듐은 물질 구역 C에서 바람직하게는 10 내지 200g/ft3, 예를 들어 20 내지 180g/ft3 또는 40 내지 150g/ft3의 양으로 존재하고, 여기서 명시된 양은 물질 구역 C가 백금을 포함하고 팔라듐을 포함하지 않는 경우 백금 양이거나, 물질 구역 C가 백금 및 팔라듐을 포함하는 경우 백금 및 팔라듐의 양의 합이다.
물질 구역 C에서 백금 및 팔라듐은 일반적으로 담체 물질 상에 존재한다. 이러한 목적을 위해 당업자에게 익숙한 모든 물질은 담체 물질로 간주된다. 이는 BET 표면적(DIN 66132에 따라 결정됨)이 30 내지 250m2/g, 바람직하게는 100 내지 200m2/g이며, 특히 산화알루미늄, 산화규소, 산화마그네슘, 산화티타늄, 세륨/티타늄 혼합 산화물 뿐만 아니라 이들 물질 중 2종 이상의 혼합물 또는 혼합 산화물이다.
산화알루미늄, 세륨/티타늄 혼합 산화물, 마그네슘/알루미늄 혼합 산화물, 알루미늄/규소 혼합 산화물이 바람직하다. 산화알루미늄이 사용되는 경우, 특히 바람직하게는 예를 들어 1 내지 6중량%, 특히 4중량%의 산화란타늄으로 안정화된다.
알루미늄/규소 혼합 산화물을 사용하는 경우, 특히 산화규소 함량은 5 내지 30중량%, 바람직하게는 5 내지 10중량%이다.
물질 구역 C는 특히 탄화수소의 산화를 위하여 물질 구역 A의 라이트 오프(light-off) 미만의 온도에서 탄화수소를 저장하기 위한 물질일 수 있다. 그러한 저장 물질은 특히 채널이 탄화수소를 수용하기에 충분히 큰 제올라이트이다. 이러한 목적에 바람직한 제올라이트는 BEA 구조 유형의 제올라이트이다.
물질 구역 D는 바람직하게는 백금을 포함하고 팔라듐을 포함하지 않거나, 또는 백금 및 팔라듐을 특히 20:1 내지 1:1, 바람직하게는 14:1 내지 2:1의 중량비로 포함한다.
백금 및 팔라듐은 물질 구역 D에서 바람직하게는 10 내지 200g/ft3, 예를 들어 20 내지 180g/ft3 또는 40 내지 150g/ft3의 양으로 존재하고, 여기서 명시된 양은 물질 구역 C가 백금을 포함하고 팔라듐을 포함하지 않는 경우 백금 양이거나, 물질 구역 C가 백금 및 팔라듐을 포함하는 경우 백금 및 팔라듐의 양의 합이다.
물질 구역 D에서 백금 및 팔라듐은 일반적으로 담체 물질 상에 존재한다. 이러한 목적을 위해 당업자에게 익숙한 모든 물질은 담체 물질로 간주된다. 이는 BET 표면적(DIN 66132에 따라 결정됨)이 30 내지 250m2/g, 바람직하게는 100 내지 200m2/g이며, 특히 산화알루미늄, 산화규소, 산화마그네슘, 산화티타늄, 세륨/티타늄 혼합 산화물 뿐만 아니라 이들 물질 중 2종 이상의 혼합물 또는 혼합 산화물이다.
산화알루미늄, 세륨/티타늄 혼합 산화물, 마그네슘/알루미늄 혼합 산화물, 알루미늄/규소 혼합 산화물이 바람직하다. 산화알루미늄이 사용되는 경우, 특히 바람직하게는 예를 들어 1 내지 6중량%, 특히 4중량%의 산화란타늄으로 안정화된다.
알루미늄/규소 혼합 산화물을 사용하는 경우, 특히 산화규소 함량은 5 내지 30중량%, 바람직하게는 5 내지 10중량%이다.
물질 구역 D는 특히 탄화수소의 산화를 위하여 물질 구역 A의 라이트 오프(light-off) 미만의 온도에서 탄화수소를 저장하기 위한 물질일 수 있다. 그러한 저장 물질은 특히 채널이 탄화수소를 수용하기에 충분히 큰 제올라이트이다. 이러한 목적에 바람직한 제올라이트는 BEA 구조 유형의 제올라이트이다.
물질 구역의 길이 LC 및 LD는 함께 담체 기재의 길이(L)에 대응한다. 물질 구역 LC는 특히 길이 L의 20 내지 80%, 바람직하게는 40 내지 60%의 길이를 갖는다. 바람직한 양태에서, LC 및 LD는 각각 길이 L의 50%에 걸쳐 연장된다.
본 발명의 일양태에서, 물질 구역 C 및 D는 동일하다. 즉, 이들은 동일한 성분을 동일한 양으로 함유한다. 이 경우, 균일한 물질 구역이 담체 기재의 전체 길이 L에 걸쳐 연장되고 물질 구역 A 및 B를 덮는다.
본 발명의 또 다른 양태에서, 물질 구역 A는 또한 비스무트 및 백금을 포함하고 바람직하게는 팔라듐을 포함하지 않는다. 물질 구역 B에서와 같이, 비스무트는 또한 물질 구역 A에서, 예를 들어 산화 비스무트(Bi2O3)의 형태로 존재하지만, 특히 알루미늄과의 복합 산화물의 형태로 존재한다. 후자의 경우, 비스무트는 예를 들어 복합 산화물을 기준으로 1 내지 10중량%, 바람직하게는 2 내지 7중량%의 양으로 존재하고 원소 비스무트로서 계산된다.
본 발명의 양태에서, 물질 구역 A 및 B는 예를 들어, 동일하다. 즉, 이들은 동일한 성분을 동일한 양으로 함유한다. 이 경우, 균일한 물질 구역이 담체 기재의 전체 길이 L에 걸쳐 연장된다.
본 발명의 또 다른 양태에서, 촉매는 담체 기재의 말단 b로부터 시작하여 물질 구역 D에 걸쳐 길이 L의 일부에 걸쳐 연장되는 물질 구역 E를 포함하고, 백금을 포함하고 팔라듐을 포함하지 않거나, 팔라듐을 포함하고 백금을 포함하지 않거나, 또는 백금 및 팔라듐을 포함한다.
물질 구역 E는 바람직하게는 백금을 포함하고 팔라듐을 포함하지 않거나, 또는 백금 및 팔라듐을 특히 20:1 내지 1:1, 바람직하게는 14:1 내지 2:1의 중량비로 포함한다.
백금 및 팔라듐은 물질 구역 C에서 바람직하게는 10 내지 200g/ft3, 예를 들어 20 내지 180g/ft3 또는 40 내지 150g/ft3의 양으로 존재하고, 여기서 명시된 양은 물질 구역 C가 백금을 포함하고 팔라듐을 포함하지 않는 경우 백금 양이거나, 물질 구역 C가 백금 및 팔라듐을 포함하는 경우 백금 및 팔라듐의 양의 합이다.
물질 구역 E에서 백금, 팔라듐, 또는 백금 및 팔라듐은 일반적으로 담체 물질 상에 존재한다. 이러한 목적을 위해 당업자에게 익숙한 모든 물질은 담체 물질로 간주된다. 이는 BET 표면적(DIN 66132에 따라 결정됨)이 30 내지 250m2/g, 바람직하게는 100 내지 200m2/g이며, 특히 산화알루미늄, 산화규소, 산화마그네슘, 산화티타늄, 세륨/티타늄 혼합 산화물 뿐만 아니라 이들 물질 중 2종 이상의 혼합물 또는 혼합 산화물이다.
산화알루미늄, 세륨/티타늄 혼합 산화물, 마그네슘/알루미늄 혼합 산화물, 알루미늄/규소 혼합 산화물이 바람직하다. 산화알루미늄이 사용되는 경우, 특히 바람직하게는 예를 들어 1 내지 6중량%, 특히 4중량%의 산화란타늄으로 안정화된다.
알루미늄/규소 혼합 산화물을 사용하는 경우, 특히 산화규소 함량은 5 내지 30중량%, 바람직하게는 5 내지 10중량%이다.
물질 구역 E는 바람직하게는 길이 L의 40 내지 60%에 걸쳐 말단 b로부터 연장된다.
본 발명의 바람직한 양태에서, 물질 구역 A 및 B와 물질 구역 C 및 D는 각 경우에 동일하다. 즉, 물질 구역 A 및 B는 동일한 양의 동일한 성분을 함유하고 물질 구역 C 및 D는 동일한 양의 동일한 성분을 함유한다.
이 경우, 촉매가 물질 구역 E를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 촉매는 지지체를 포함한다. 이것은 관통류 기재 또는 벽 유동 필터일 수 있다.
벽 유동 필터는 벽 유동 필터의 제1 말단과 제2 말단 사이에 병렬 연장되어 있고 제1 말단 또는 제2 말단에서 교대로 폐쇄되어 있는, 길이 L의 채널들을 포함하는 지지체이고 다공성 벽에 의해 분리되어 있다. 관통류 기재는 특히 길이 L의 채널의 두 말단이 개방되어 있다는 점에서 벽 유동 필터와 다르다.
코팅되지 않은 상태에서, 벽 유동 필터는 예를 들면 30 내지 80%, 특히 50 내지 75%의 다공도를 갖는다. 코팅되지 않은 상태에서, 이의 평균 기공 크기는 예를 들면 5 내지 30 마이크로미터이다.
일반적으로, 벽 유동 필터의 기공은 소위 개방형 기공이며, 즉, 채널과 연결되어 있다. 또한, 기공은 통상 상호연결되어 있다. 이는, 한편으로는 내부 기공 표면의 코팅을 용이하게 하고, 다른 한편으로는 벽 유동 필터의 다공성 벽을 통한 배기 가스의 용이한 통과를 가능하게 한다.
벽 유동 필터와 같이, 관통류 기재는 당업자에게 공지되어 있고 시장에서 입수가능하다. 그것들은 예를 들어 탄화규소, 티탄산알루미늄 또는 근청석으로 구성된다.
백금, 팔라듐 및 비스무트 외에, 본 발명에 따른 촉매는 통상적으로 임의의 추가 금속, 특히 은, 금, 구리 또는 심지어 철을 포함하지 않는다.
바람직한 양태에서, 본 발명은, 말단 a와 b 사이에 연장되어 있는 길이 L을 갖는 담체 기재, 및 4개의 물질 구역 A, B, C, 및 D를 포함하는, 촉매에 관한 것으로, 여기서,
● 말단 a에서 시작하여, 물질 구역 A는 길이 L의 40 내지 60%에 걸쳐 연장되며 3:1 내지 1:3의 중량비로 백금 및 팔라듐을 포함하고;
● 말단 b에서 시작하여, 물질 구역 B는 길이 L의 40 내지 60%에 걸쳐 연장되며 알루미늄 및 비스무트, 또는 알루미늄, 규소 및 비스무트의 복합 산화물 상에 지지된 백금을 포함하고;
LA + LB = L이고, 여기서 LA는 물질 구역 A의 길이이고, LB는 물질 구역 B의 길이이며;
● 말단 a에서 시작하여, 물질 구역 C는 길이 L의 40 내지 60%에 걸쳐 연장되며 14:1 내지 2:1의 중량비로 백금 및 팔라듐을 포함하고;
● 말단 b에서 시작하여, 물질 구역 D는 길이 L의 40 내지 60%에 걸쳐 연장되며 14:1 내지 2:1의 중량비로 백금 및 팔라듐을 포함하고;
LC + LD = L이고, 여기서 LC는 물질 구역 C의 길이이고, LD는 물질 구역 D의 길이이며;
여기서 물질 구역 C 및 D는 물질 구역 A 및 B 상에 배열된다.
또 다른 바람직한 양태에서, 본 발명은, 말단 a와 b 사이에 연장되어 있는 길이 L을 갖는 담체 기재, 및 5개의 물질 구역 A, B, C, D, 및 E를 포함하는, 촉매에 관한 것으로, 여기서,
● 물질 구역 A 및 물질 구역 B는 동일하며 알루미늄 및 비스무트, 또는 알루미늄, 규소 및 비스무트의 복합 산화물 상에 지지된 백금을 포함하고;
LA + LB = L이고, 여기서 LA는 물질 구역 A의 길이이고, LB는 물질 구역 B의 길이이며;
● 물질 구역 C 및 물질 구역 D는 동일하며 14:1 내지 2:1의 중량비로 백금 및 팔라듐을 포함하고;
LC + LD = L이고, 여기서 LC는 물질 구역 C의 길이이고, LD는 물질 구역 D의 길이이며;
● 물질 구역 E는 14:1 내지 2:1의 중량비로 백금 및 팔라듐을 포함하고;
물질 구역 C 및 D는 물질 구역 A 및 B 상에 배열되고, 물질 구역 E는 물질 구역 D 상에 배열된다.
물질 구역 A, B, C, D, 및 - 적용 가능한 경우 - E는 일반적으로 지지체에 코팅 형태로 존재한다.
물질 구역 A, B, C, D, 및 - 적용 가능한 경우 - E가 담체 기재 상에 코팅 형태로 존재하는 본 발명에 따른 촉매는 당업자에게 익숙한 방법, 예를 들어 통상적인 침지 코팅 방법 또는 후속 열 후처리(하소)를 수반하는 펌프 및 흡인 코팅 방법에 의해 제조될 수 있다. 당업자는 벽 유동 필터의 경우, 코팅될 물질의 평균 기공 크기와 평균 미립자 크기가 벽 유동 필터(벽면 코팅)의 채널을 형성하는 다공성 벽에 놓이는 방식으로 서로 일치할 수 있다는 것을 안다. 코팅될 물질의 평균 미립자 크기는 벽 유동 필터의 채널을 형성하는 다공성 벽에 위치하도록 선택될 수도 있다. 즉, 내부 기공 표면이 코팅된다(벽 내 코팅). 이때 코팅 물질의 평균 입경은 벽 유동 필터의 기공까지 침투할 수 있을 정도로 충분히 작아야 한다.
물질 구역 A 및 B가 동일한 본 발명의 또 다른 양태에서, 담체 기재는 물질 구역 A 및 B의 물질 및 매트릭스 성분으로 형성되는 반면, 물질 구역 C 및 D는 담체 기재 상의 코팅 형태로 존재한다.
근청석과 같은 불활성 물질로만 구성되지 않고 추가로 촉매 활성 물질을 함유하는 담체 기재, 관통류 기재, 및 벽 유동 기재는 당업자에게 공지되어 있다. 이들을 제조하기 위해, 예를 들어 불활성 매트릭스 성분 10 내지 95중량% 및 촉매 활성 물질 5 내지 90중량%로 이루어진 혼합물을 그 자체로 공지된 방법에 따라 압출한다. 촉매 기재를 생산하는 데에 사용되는 모든 불활성 물질은 이 경우 매트릭스 성분으로 사용될 수 있다. 이들은 예를 들어 규산염, 산화물, 질화물 또는 탄화물이며, 특히 규산알루미늄마그네슘이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 양태에서, 불활성 물질의 파형 시트로 구성된 담체 기재가 사용된다. 이러한 담체 기재는 당업자에게 "파형 기재(corrugated substrates)"로 알려져 있다. 적합한 불활성 물질은, 예를 들면, 평균 섬유 직경 50 내지 250㎛ 및 평균 섬유 길이 2 내지 30mm의 섬유 물질이다. 바람직하게는, 섬유 물질은 내열성이며 이산화규소, 특히 유리 섬유로 이루어진다.
이러한 담체 기재의 제조를 위해, 전술된 섬유 물질의 시트는 예를 들면 공지된 방식으로 파형 가공되며 개별 파형 시트가 몸체를 관통하는 채널을 갖는 일체형의 원통형 구조체로 형성된다. 바람직하게는, 십자형 파형 구조를 갖는 일체형 구조체가, 층들 사이에 상이한 배향의 주름을 갖는 병렬 층들 내에 다수의 파형 시트를 적층함으로써 형성된다. 일양태에서, 파형이 아닌(즉, 평평한) 시트가 파형 시트들 사이에 배치될 수 있다.
파형 시트로 제조된 기재는 물질 A 및 B로 직접 코팅될 수 있지만, 이는 바람직하게는 불활성 물질, 예를 들면 이산화티타늄으로 우선 코팅되고, 이어서 촉매 물질만으로 코팅된다.
본 발명에 따른 촉매가 알루미늄 및 비스무트, 또는 알루미늄, 규소 및 비스무트의 복합 산화물을 포함하는 경우, 예를 들어, 산화알루미늄 또는 규소-안정화 산화알루미늄을 비스무트 염 수용액과 접촉시킨 후 건조 및 하소함으로써 복합 산화물을 얻을 수 있다. 산화알루미늄 또는 규소-안정화 산화알루미늄을 비스무트 염 수용액과 접촉시키는 것은 혼합기에서 산화알루미늄을 비스무트 염 수용액과 분무함으로써 유리하게 수행될 수 있다. 적합한 혼합기는 당업자에게 공지되어 있다. 예를 들어, 분말 혼합기 또는 분무 건조 장치가 적합하다.
본 발명에 따른 촉매는 낮은 온도에서도 일산화탄소 및 탄화수소를 효율적으로 반응시키지만, 미립자 필터 및 SCR 촉매와 같이 유출측에 배열된 촉매에 대해 충분한 이산화질소를 형성하는 디젤 산화 촉매로서 완벽하게 적합하다. 특히, 본 발명에 따른 촉매는 물질 구역 B에 어떠한 비스무트도 포함하지 않지만 그 외에는 동일한 비교 촉매보다 더 많은 이산화질소를 생성하는 것으로 나타났다.
따라서 본 발명은 또한 배기 가스가 전술한 촉매 위로 통과하고, 여기서 배기 가스는 말단 a에서 촉매에 들어가고 말단 b에서 촉매를 빠져나가는 것을 특징으로 하는 린번(lean-burn) 엔진으로 작동되는 자동차의 배기 가스를 정화하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 또한 상술한 촉매를 포함하는 배기 가스 시스템에 관한 것으로, 말단 b에는 디젤 미립자 필터, SCR 촉매로 코팅된 디젤 미립자 필터, 그을음 점화 온도를 감소시키는 코팅으로 코팅된 디젤 미립자 필터 및 관통류 기재 상에 위치한 SCR 촉매로 구성된 시리즈에서 선택되는 하나 이상의 추가 촉매가 연결된다.
물질 구역 A, B, C, D, 및 적용 가능한 경우 E에 대해 전술한 선택적 및/또는 바람직한 양태는 본 발명에 따른 공정 및 본 발명에 따른 배기 가스 시스템에도 유사하게 적용된다.
본 발명에 따른 배기 가스 시스템에서, SCR 촉매는 원칙적으로 미립자 필터 또는 관통류 기재의 업스트림에 위치한 상부에 관계없이 산화질소와 암모니아의 SCR 반응에서 활성인 모든 촉매, 특히 자동차 배기 가스 촉매 작용 분야의 당업자에게 통상적인 것으로 공지된 것들로부터 선택될 수 있다. 여기에는 혼합 산화물 유형의 촉매뿐만 아니라 제올라이트 기반 촉매, 특히 전이 금속 교환 제올라이트 기반 촉매가 포함된다.
본 발명의 양태에서, 8개의 사면체 원자인 최대 환 크기를 갖는 소형 공극 제올라이트 및 전이 금속을 함유하는 SCR 촉매가 사용된다. 이러한 SCR 촉매는 예를 들면 WO 2008/106519 A1, WO 2008/118434 A1, 및 WO 2008/132452 A2에 개시되어 있다.
또한, 대형 공극 및 중형 공극 제올라이트가 사용될 수도 있으며, 특히 BEA 구조 유형의 제올라이트가 고려된다. 따라서, 철-BEA 및 구리-BEA가 중요하다.
특히 바람직한 제올라이트는 구조 유형 BEA, AEI, AFX, CHA, KFI, ERI, LEV, MER 또는 DDR의 제올라이트이고, 이는 특히 바람직하게는 코발트, 철, 구리, 또는 이들 금속 중 2개 또는 3개의 혼합물로 교환된다.
본원에서 용어 "제올라이트"는 분자체(molecular sieve)를 또한 포함하며, 이는 종종 "제올라이트형" 화합물로도 지칭된다. 분자체는, 전술된 구조 유형들 중 하나에 속하는 경우에 바람직하다. 이의 예는 용어 "SAPO"로 공지된 실리카 알루미늄 인산염 제올라이트 및 용어 "AlPO"로 공지된 알루미늄 인산염 제올라이트를 포함한다.
또한, 제올라이트가 코발트, 철, 구리, 또는 이들 금속 중 2개 또는 3개의 혼합물로 교환되는 경우에 특히 바람직하다.
SAR(실리카-대-알루미나 비(silica-to-alumina ratio)) 값이 2 내지 100, 특히 5 내지 50인 제올라이트가 또한 바람직하다.
특히, 제올라이트 또는 분자체는 금속 산화물, 즉, 예를 들면 Fe2O3 또는 CuO로서 계산하여, 1 내지 10중량%, 특히 2 내지 5중량%의 양으로 전이 금속을 함유한다.
본 발명의 바람직한 양태는, 구리, 철 또는 구리와 철로 교환된, 베타 유형(BEA), 캐바자이트 유형(CHA), AEI 유형, AFX 유형, 또는 레빈 유형(LEV)의 제올라이트 또는 분자체를 SCR 촉매로서 함유한다. 상응하는 제올라이트 또는 분자체는, 예를 들면, 명칭 ZSM-5, Beta, SSZ-13, SSZ-62, Nu-3, ZK-20, LZ-132, SAPO-34, SAPO-35, AlPO-34 및 AlPO-35로 공지되어 있으며, 예를 들면, US 6,709,644 및 US 8,617,474를 참조한다.
본 발명에 따른 배기 가스 시스템의 일양태에서, 환원제 주입 장치는 SCR 촉매의 업스트림에 위치한다.
주입 장치는 당업자에 의해 자유롭게 선택될 수 있으며, 적합한 장치는 문헌으로부터 얻을 수 있다(예를 들면, 문헌 T. Mayer, Feststoff-SCR-System auf Basis von Ammoniumcarbamat, Dissertation, TU Kaiserslautern, 2005 및 EP 1 561 919 A1 참조). 암모니아는, 상기와 같은 주입 장치를 통해 또는 주위 조건하에 암모니아가 형성된 화합물 형태로, 배기 가스 스트림으로 주입될 수 있다. 적합한 화합물의 예로는 우레아 또는 포름산암모늄의 수용액, 및 고형 카밤산암모늄이 있다. 일반적으로, 환원제 또는 이의 전구체는 주입 장치에 연결된 동반된 컨테이너에 보관될 수 있다.
도 1은 물질 구역 A, B, C, 및 D를 갖는 본 발명에 따른 촉매를 도시한 것이다.
도 2는 물질 구역 A, B, C, D, 및 E를 갖는 본 발명에 따른 촉매를 나타낸 것이다.
도 3은 촉매를 NEDC 사이클 동안 엔진 테스트 벤치에서 측정한 후 K1 및 VK1의 NO2/NOx 비율을 [%]로 나타낸 것이다.
도 4는 촉매를 NEDC 사이클 동안 엔진 테스트 벤치에서 측정한 후 K2 및 VK2의 NO2/NOx 비율을 [%]로 나타낸 것이다.
도 2는 물질 구역 A, B, C, D, 및 E를 갖는 본 발명에 따른 촉매를 나타낸 것이다.
도 3은 촉매를 NEDC 사이클 동안 엔진 테스트 벤치에서 측정한 후 K1 및 VK1의 NO2/NOx 비율을 [%]로 나타낸 것이다.
도 4는 촉매를 NEDC 사이클 동안 엔진 테스트 벤치에서 측정한 후 K2 및 VK2의 NO2/NOx 비율을 [%]로 나타낸 것이다.
도 1 및 2는 하기 의미를 갖는 본 발명에 따른 촉매의 양태를 나타낸다:
(1) 담체 기재
(2) 물질 구역 A
(3) 물질 구역 B
(4) 물질 구역 C
(5) 물질 구역 D
(6) 물질 구역 E
a 및 b는 담체 기재의 두 말단을 나타내고, 화살표는 촉매를 의도한 대로 사용할 때 배기 가스의 흐름 방향을 나타낸다.
도 1은 물질 구역 A, B, C, 및 D를 갖는 본 발명에 따른 촉매를 도시한 것이며, 여기서 모든 물질 구역은 동일한 길이, 즉 담체 기재 길이의 50%를 갖는다.
도 2는 물질 구역 A, B, C, D, 및 E를 갖는 본 발명에 따른 촉매를 나타낸 것이며, 여기서 A 및 B 뿐만 아니라 C 및 D는 각각 동일하다.
실시예 1
a) 상업적으로 입수 가능한 근청석으로 제조된 관통류 기재를, 첫 번째 말단에서 시작하여, 길이의 50%에 걸쳐, 산화란타늄으로 안정화된 산화알루미늄 72.65g/l 상에 지지된, 중량비 2:1의 백금 및 팔라듐 65g/ft3, 및 β-제올라이트 40g/l으로 코팅하였다.
b) a)에 따라 얻은 관통류 기재를, 두 번째 말단에서 시작하여, 길이의 50%에 걸쳐, 3중량%의 산화비스무트로 도핑된 산화알루미늄 100g/l 상에 지지된 백금 65g/ft3, 및 β-제올라이트 40g/l으로 코팅하였다.
c) b)에 따라 얻은 관통류 기재를, 전체 길이에 걸쳐, 산화란타늄으로 안정화된 산화알루미늄 60g/l 상에 지지된, 중량비 14:1의 백금 및 팔라듐 25g/ft3으로 코팅하였다.
백금 및 팔라듐을 포함하는 촉매의 총 적재량은 90g/ft3이다.
이와 같이 얻어진 본 발명에 따른 촉매 K1에서, 물질 구역 C 및 D는 동일하고 물질 구역 A 및 B 상의 관통류 기재의 전체 길이에 걸쳐 응집성 층을 형성한다.
비교예 1
a) 상업적으로 입수 가능한 근청석으로 제조된 관통류 기재를, 전체 길이에 걸쳐, 산화란타늄으로 안정화된 산화알루미늄 72.65g/l 상에 지지된, 중량비 2:1의 백금 및 팔라듐 65g/ft3, 및 β-제올라이트 40g/l으로 코팅하였다.
b) a)에 따라 얻은 관통류 기재를, 전체 길이에 걸쳐, 산화란타늄으로 안정화된 산화알루미늄 60g/l 상에 지지된, 중량비 14:1의 백금 및 팔라듐 25g/ft3으로 코팅하였다.
백금 및 팔라듐을 포함하는 촉매의 총 적재량은 90g/ft3이다.
이렇게 얻어진 비교 촉매 VK1에서, 물질 구역 A 및 B와 C 및 D는 각각 동일하다. 촉매 VK1은 어떠한 비스무트도 포함하지 않는다.
실시예 2
a) 상업적으로 입수 가능한 근청석으로 제조된 관통류 기재를, 첫 번째 말단에서 시작하여, 길이의 50%에 걸쳐, 산화세륨티타늄 상에 지지된, 중량비 1:3의 백금 및 팔라듐 40g/ft3으로 코팅하였다.
b) a)에 따라 얻은 관통류 기재를, 두 번째 말단에서 시작하여, 길이의 50%에 걸쳐, 3중량%의 산화비스무트로 도핑된 산화알루미늄 100g/l 상에 지지된 백금 65g/ft3, 및 β-제올라이트 40g/l으로 코팅하였다.
c) b)에 따라 얻은 관통류 기재를, 첫 번째 말단에서 시작하여, 길이의 50%에 걸쳐, 산화알루미늄 62.28g/l 상에 지지된, 중량비 2:1의 백금 및 팔라듐 70g/ft3, 및 β-제올라이트 25g/l 으로 코팅하였다.
d) c)에 따라 얻은 관통류 기재를, 두 번째 말단에서 시작하여, 길이의 50%에 걸쳐, 산화란타늄으로 안정화된 산화알루미늄 60g/l 상에 지지된, 중량비 14:1의 백금 및 팔라듐 25g/ft3으로 코팅하였다.
백금 및 팔라듐을 포함하는 촉매의 총 적재량은 100g/ft3이다.
이렇게 얻어진 본 발명에 따른 촉매를 이하 K2라 한다.
비교예 2
a) 상업적으로 입수 가능한 근청석으로 제조된 관통류 기재를, 전체 길이에 걸쳐, 산화세륨티타늄 상에 지지된, 중량비 1:3의 백금 및 팔라듐 40g/ft3으로 코팅하였다.
b) a)에 따라 얻은 관통류 기재를, 전체 길이에 걸쳐, 산화알루미늄 62.28g/l 상에 지지된, 중량비 2:1의 백금 및 팔라듐 70g/ft3, 및 β-제올라이트 25g/l으로 코팅하였다.
백금 및 팔라듐을 포함하는 촉매의 총 적재량은 110g/ft3이다.
이렇게 얻어진 비교 촉매 VK2에서, 물질 구역 A 및 B와 C 및 D는 각각 동일하다. 촉매 VK2는 어떠한 비스무트도 포함하지 않는다.
실시예 3
a) 상업적으로 입수 가능한 근청석으로 제조된 관통류 기재를, 전체 길이에 걸쳐, 3중량%의 산화비스무트로 도핑된 산화알루미늄 25g/l 상에 지지된 백금 25g/ft3으로 코팅하였다.
b) a)에 따라 얻은 관통류 기재를, 전체 길이에 걸쳐, 산화알루미늄 110g/l 상에 지지된, 중량비 2:1의 백금 및 팔라듐 40g/ft3으로 코팅하였다.
c) b)에 따라 얻은 관통류 기재를, 두 번째 말단에서 시작하여, 길이의 50%에 걸쳐, 산화규소로 안정화된 산화알루미늄 50g/l 상에 지지된, 중량비 12:1의 백금 및 팔라듐 50g/ft3으로 코팅하였다.
백금 및 팔라듐을 포함하는 촉매의 총 적재량은 90g/ft3이다.
이렇게 얻어진 본 발명에 따른 촉매를 이하 K3라 한다. 물질 구역 A 및 B와 C 및 D는 각각 동일하며, 물질 구역 A 및 B는 비스무트를 함유한다. 또한 물질 구역 D는 물질 구역 E를 추가 물질 구역으로 수반한다.
비교 실험 1
도 3은 촉매를 NEDC 사이클 동안 엔진 테스트 벤치에서 측정한 후 K1 및 VK1의 NO2/NOx 비율을 [%]로 나타낸 것이다. 검정 곡선은 VK1의 결과를 나타내고 회색 곡선은 K1의 결과를 나타낸다. K1의 회색 곡선은 특히 약 1125초와 1500초 사이의 주기에서 더 높은 NO2/NOx 비율을 나타낸다.
비교 실험 2
도 4는 촉매를 NEDC 사이클 동안 엔진 테스트 벤치에서 측정한 후 K2 및 VK2의 NO2/NOx 비율을 [%]로 나타낸 것이다. 검정 곡선은 VK2의 결과를 나타내고 회색 곡선은 K2의 결과를 나타낸다. 회색 곡선은 더 높은 NO2/NOx 비율을 나타낸다.
Claims (18)
- 말단(end) a와 b 사이에 연장되어 있는 길이 L을 갖는 담체 기재, 및 4개의 물질 구역 A, B, C, 및 D를 포함하는, 촉매로서,
● 물질 구역 A는 말단 a에서 길이 L의 일부에 걸쳐 연장되며 백금을 포함하고 팔라듐을 포함하지 않거나, 팔라듐을 포함하고 백금을 포함하지 않거나, 또는 백금 및 팔라듐을 포함하고;
● 물질 구역 B는 말단 b에서 길이 L의 일부에 걸쳐 연장되며 백금 및 비스무트를 포함하고;
LA + LB = L이고, 여기서 LA는 물질 구역 A의 길이이고, LB는 물질 구역 B의 길이이며;
● 물질 구역 C는 말단 a에서 길이 L의 일부에 걸쳐 연장되며 백금을 포함하고 팔라듐을 포함하지 않거나, 팔라듐을 포함하고 백금을 포함하지 않거나, 또는 백금 및 팔라듐을 포함하고;
● 물질 구역 D는 말단 b에서 길이 L의 일부에 걸쳐 연장되며 백금을 포함하고 팔라듐을 포함하지 않거나, 팔라듐을 포함하고 백금을 포함하지 않거나, 또는 백금 및 팔라듐을 포함하고;
LC + LD = L이고, 여기서 LC는 물질 구역 C의 길이이고, LD는 물질 구역 D의 길이이며;
여기서 물질 구역 C 및 D는 물질 구역 A 및 B 상에 배열되는, 촉매. - 제1항에 있어서, 물질 구역 A가 백금 및 팔라듐을 포함하는 것을 특징으로 하는, 촉매.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 물질 구역 A가 어떠한 비스무트도 포함하지 않는 것을 특징으로 하는, 촉매.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 물질 구역 B가 산화비스무트(Bi2O3) 형태, 또는 알루미늄, 또는 알루미늄 및 규소와의 복합 산화물 형태의 비스무트를 포함하는 것을 특징으로 하는, 촉매.
- 제4항에 있어서, 복합 산화물 중의 비스무트가 복합 산화물을 기준으로 1 내지 15중량%의 양으로 알루미늄, 또는 알루미늄 및 규소와 함께 존재하고 원소 비스무트로 계산되는 것을 특징으로 하는, 촉매.
- 제4항 또는 제5항에 있어서, 비스무트 및 알루미늄, 또는 비스무트 및 알루미늄 및 규소로 구성된 복합 산화물이 백금을 위한 담체 물질인 것을 특징으로 하는, 촉매.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 물질 구역 B가 어떠한 팔라듐도 포함하지 않는 것을 특징으로 하는, 촉매.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 물질 구역 C가 백금을 포함하고 팔라듐을 포함하지 않거나, 또는 백금 및 팔라듐을 포함하는 것을 특징으로 하는, 촉매.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 물질 구역 D가 백금을 포함하고 팔라듐을 포함하지 않거나, 또는 백금 및 팔라듐을 포함하는 것을 특징으로 하는, 촉매.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 물질 구역 C 및 D가 동일한 것을 특징으로 하는, 촉매.
- 제1항 및 제4항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 물질 구역 A가 비스무트 및 백금을 포함하고 팔라듐을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는, 촉매.
- 제11항에 있어서, 물질 구역 A 및 B가 동일한 것을 특징으로 하는, 촉매.
- 제12항에 있어서, 물질 구역 A 및 B와 물질 구역 C 및 D가 각각 동일한 것을 특징으로 하는, 촉매.
- 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 담체 기재의 말단 b로부터 시작하여 물질 구역 D에 걸쳐 길이 L의 일부에 걸쳐 연장되는 물질 구역 E를 포함하고, 백금을 포함하고 팔라듐을 포함하지 않거나, 팔라듐을 포함하고 백금을 포함하지 않거나, 또는 백금 및 팔라듐을 포함하는 것을 특징으로 하는, 촉매.
- 제1항에 있어서, 말단 a와 b 사이에 연장되어 있는 길이 L을 갖는 담체 기재, 및 4개의 물질 구역 A, B, C, 및 D를 포함하는 것을 특징으로 하는, 촉매로서,
● 말단 a에서 시작하여, 물질 구역 A는 길이 L의 40 내지 60%에 걸쳐 연장되며 3:1 내지 1:3의 중량비로 백금 및 팔라듐을 포함하고;
● 말단 b에서 시작하여, 물질 구역 B는 길이 L의 40 내지 60%에 걸쳐 연장되며 알루미늄 및 비스무트, 또는 알루미늄, 규소 및 비스무트의 복합 산화물 상에 지지된 백금을 포함하고;
LA + LB = L이고, 여기서 LA는 물질 구역 A의 길이이고, LB는 물질 구역 B의 길이이며;
● 말단 a에서 시작하여, 물질 구역 C는 길이 L의 40 내지 60%에 걸쳐 연장되며 14:1 내지 2:1의 중량비로 백금 및 팔라듐을 포함하고;
● 말단 b에서 시작하여, 물질 구역 D는 길이 L의 40 내지 60%에 걸쳐 연장되며 14:1 내지 2:1의 중량비로 백금 및 팔라듐을 포함하고;
LC + LD = L이고, 여기서 LC는 물질 구역 C의 길이이고, LD는 물질 구역 D의 길이이며;
여기서 물질 구역 C 및 D는 물질 구역 A 및 B 상에 배열되는, 촉매. - 제1항에 있어서, 말단 a와 b 사이에 연장되어 있는 길이 L을 갖는 담체 기재, 및 5개의 물질 구역 A, B, C, D, 및 E를 포함하는 것을 특징으로 하는, 촉매로서,
● 물질 구역 A 및 물질 구역 B는 동일하며 알루미늄 및 비스무트, 또는 알루미늄, 규소 및 비스무트의 복합 산화물 상에 지지된 백금을 포함하고;
LA + LB = L이고, 여기서 LA는 물질 구역 A의 길이이고, LB는 물질 구역 B의 길이이며;
● 물질 구역 C와 물질 구역 D는 동일하며 14:1 내지 2:1의 중량비로 백금 및 팔라듐을 포함하고;
LC + LD = L이고, 여기서 LC는 물질 구역 C의 길이이고, LD는 물질 구역 D의 길이이며;
● 물질 구역 E는 14:1 내지 2:1의 중량비로 백금 및 팔라듐을 포함하고;
물질 구역 C 및 D는 물질 구역 A 및 B 상에 배열되고, 물질 구역 E는 물질 구역 D 상에 배열되는, 촉매. - 린번(lean-burn) 엔진으로 작동되는 자동차의 배기 가스 정화 방법으로서, 배기 가스가 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 촉매 위로 통과하고, 여기서 배기 가스는 말단 a에서 촉매에 들어가고 말단 b에서 촉매를 빠져나가는 것을 특징으로 하는, 자동차의 배기 가스 정화 방법.
- 배기 가스 시스템으로서,
a) 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 촉매, 및
b) SCR 촉매
를 포함하는, 배기 가스 시스템.
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