KR20230083280A - 유도 가열을 위해 개작된 자성 물질을 포함하는 촉매 기재 - Google Patents

유도 가열을 위해 개작된 자성 물질을 포함하는 촉매 기재 Download PDF

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Abstract

본 개시내용은 a) 세라믹 물질 및 b) 자성 물질을 포함하는 촉매 기재를 제공하며, 자성 물질은 인가된 교류 자기장에 응답하여 유도 가열할 수 있다. 자성 물질은 다양한 방식으로 세라믹 물질과 회합(예를 들어, 세라믹 물질의 적어도 일부 내에 분산되거나 세라믹 물질의 기공 내에 함유)될 수 있다. 본 개시내용은 이러한 촉매 기재 및 상부에 침착된 촉매 워시코트 층을 포함하는 촉매 물품을 추가로 제공한다. 촉매 물품은 촉매 워시코트의 조성물에 따라서 다양한 목적을 위해서 개작될 수 있다. 본 개시내용은 전류를 수신하고 이에 응답하여 교류 전자기장을 생성하기 위한 전도체 및 촉매 물품을 포함하는, 촉매 물질을 가열하기 위한 시스템 및 방법을 또한 포함한다.

Description

유도 가열을 위해 개작된 자성 물질을 포함하는 촉매 기재
본 출원은 2020년 10월 5일자로 출원된 미국 임시 출원 제63/087,640호의 우선권의 이익을 주장하며, 이는 그 전체 내용이 본원에 인용되어 포함된다.
본 개시내용은 엔진 유출물을 처리하는 데 사용하기 위한 물품을 제공하는, 다양한 촉매 조성물로 코팅될 수 있는 촉매 기재(catalyst substrate), 이러한 촉매 기재 및 물품의 제조 및 사용 방법, 및 이러한 촉매 기재 및 물품을 사용하는 시스템에 관한 것이다.
디젤 엔진의 배출물은 미립자 물질(PM: particulate matter), 질소 산화물(NOx), 미연소 탄화수소(HC) 및 일산화탄소(CO)를 포함한다. NOx는 그 중에서도 일산화질소(NO)와 이산화질소(NO2)를 포함하는 질소 산화물의 다양한 화학종을 기술하는 데 사용되는 용어이다. 배기 가스 미립자 물질의 두 가지 주요 성분은 가용성 유기 분획물(SOF) 및 그을음(soot) 분획물이다. SOF는 그을음 상에 층으로 응축되며, 일반적으로는 연소되지 않은 디젤 연료 및 윤활유로부터 유래된다. SOF는 배기 가스의 온도에 따라 증기 또는 에어로졸(즉, 액체 응축물의 미세한 액적)로 디젤 배기물에 존재할 수 있다. 그을음은 주로 탄소 입자로 구성된다. 배기물의 HC 함량은 엔진 유형과 작동 파라미터에 따라 달라질 수 있지만, 전형적으로는 메탄, 에탄, 프로판 등과 같은 다양한 단쇄 탄화수소뿐만 아니라, 더 긴 사슬의 연료 기반 탄화수소를 포함한다.
내연기관의 배기물의 처리에 사용되는 촉매는 엔진 작동의 초기 냉간시동(cold-start) 기간과 같은 상대적으로 낮은 온도 작동 기간 동안에는 덜 효과적인데, 이는 엔진 배기가스가 효율적인 촉매 전환이 일어나기에 충분히 높은 온도에 있지 않기 때문이다. 이는 적합한 작동 온도에 도달하는 데 몇 분이 소요될 수 있는 하류의 촉매 성분, 예컨대, 높은 열용량 필터(high-thermal mass filter) 후에 배치되는 것들, 예컨대 SCR 촉매에 대해 특히 그러하다.
시동 조건 동안 촉매 물품을 가열하기 위해 온보드 전력을 사용하는 것이 제안되었다. 다양한 방법은, 예를 들어, 가열 요소의 저항 가열을 통한 가스 예열(예를 들어, Gonze 등의 미국 특허 제8,479,496호; Barrientos Betancourt 등의 제10,690,031호; Shimasaki 등의 제6,112,519호; 및 Gonze 등의 제8,156,737호 참고); 촉매 기재의 직접 저항 가열(예를 들어, Achenbach 등의 미국 특허 출원 공개 US2011/0072805호 및 미국 특허 제10,677,127호 참고); 및 세라믹 기재에서 전도성 요소의 저항 가열(예를 들어, Stiglmair 등의 미국 특허 제10,731,534호; Noro의 제10,681,779호; Mori 등의 제9,845,714호; Yoshioka 등의 제8,784,741호; 및 Kinoshita 등의제8,329,110호 참고)을 포함한다. 전형적인 접근법에서, 열은 전기 히터, 예를 들어, 촉매 기재 외부에 감긴 전선, 가열된 그리드 또는 가열 요소 역할을 하는 금속 기재 자체에 의해 발생한다. 이러한 시스템의 성공적인 상업화에는, 필요한 상대적으로 높은 에너지 소비와 촉매 기재를 먼저 가열해야 하는 필요성으로 인한 상대적으로 낮은 가열 효율을 포함하는 여러 과제가 존재한다. 또한, 당업계에서의 대부분의 전기적 가열 설계는 금속성 기재를 사용하며, 다수의 시스템에서 촉매 담체로서 사용되는 보다 광범위하게 채택되는 세라믹 기재와 상용성이지 않다. 초기 냉간시동 기간 동안 효율 감소를 해결하기 위해 다양한 엔진 관리 전략이 또한 제안되었다(예를 들어, Host 등의 미국 특허 제10,138,781호; Joshi 등의 제10,082,047호; Remes의 제9,506,426호; McQuillen 등의 제10,273,906호; Peters 등의 제6,657,315호; Zhang의 제8,955,473호; 및 Glugla 등의 제9,382,857호 참고).
촉매의 유도 가열은 연구되어 있다(예를 들어, Crawford와 Douglas의 미국 특허 제9,488,085호; 제10,132,221호; 및 제10,352,214호 참고). 현재 기술은 전도체에서 와전류(eddy current)의 유도에 의해 가열되는 세라믹 기재에 내장된 전기 전도성 요소를 사용한다. 촉매의 비접촉 유도 가열은 여러 이점을 갖는다. 촉매체(catalyst body)에 직접적인 전기적 연결이 필요하지 않다. 이들은 촉매 워시코트(catalyst washcoat)를 위한 세라믹 지지체를 포함한다. 그러나 현재 기술은 제조의 복잡성(예를 들어, 세라믹/금속 계면 융착(melding))과 열 분포의 불균일성으로 어려움이 있다.
가솔린 또는 디젤 엔진으로부터의 가스성 오염물의 테일파이프 배출물, 예컨대, 엔진의 냉간시동 동안 발생하는 돌파 배출물(breakthrough emission)을 경감시킬 필요성이 당업계에 지속적으로 존재한다.
본 개시내용은 베이스 물질(예를 들어, 세라믹 물질) 및 인가된 교류 전자기장에 응답하여 유도 가열할 수 있는 자성 물질을 포함하는 촉매 기재를 제공한다. 개시된 발명의 요지는 촉매 기재의 가열을 제공하기 위해서 사용될 수 있고, 이것은 결국 상부에 코팅되어 예컨대, 엔진의 냉간시동 동안, 예컨대, 종래의 촉매 시스템이 촉매 활성에 도움이 되는 작동 온도에 도달하는 데 몇 분이 필요한 시간에서 촉매 활성의 효율을 개선시킬 수 있는 하나 이상의 촉매 워시코트의 가열을 제공할 수 있다. 자성 물질의 형태는 달라질 수 있지만, 일부 실시형태에서, 자성 물질은 촉매 기재를 형성하는 데 사용되는 세라믹 전구체 물질 내에서 쉽게 분산될 수 있는 미립자 형태이거나, 예를 들어, 기재의 형성 후에 촉매 기재의 기공 내에서 쉽게 분포될 수 있는 형태이다.
일부 실시형태에서, 촉매 기재가 제공되는데, 여기서 기재는 a) 세라믹 물질 및 b) 자성 물질을 포함하며, 여기서 자성 물질은 인가된 교류 자기장에 응답하여 유도 가열할 수 있다. 일부 실시형태에서, 본원에 참조된 촉매 기재 상의 촉매 워시코트를 포함하는 촉매 물품이 제공된다.
자성 물질은 다양한 방식으로 촉매 기재와 회합될 수 있다. 예를 들어, 촉매 기재의 자성 물질의 적어도 일부(예컨대, 실질적으로 전부)가 기재 내에 함유된다. 예를 들어, 일부 실시형태에서, 자성 물질은 세라믹 물질 내에 분산된다. 일부 실시형태에서, 자성 물질은 세라믹 물질의 기공 내에 함유된다.
자성 물질의 조성은 예를 들어, 인가된 교류 자기장의 적용을 통해 물질이 적합하게 가열될 수 있는 한 특별히 제한되지 않는다. 일부 실시형태에서, 자성 물질은 전기 절연 물질을 포함한다. 일부 실시형태에서, 자성 물질은 하나 이상의 금속 산화물을 포함한다. 이러한 금속 산화물은, 일부 실시형태에서, 전이 금속 산화물 및 희토류 금속 산화물로부터 선택된다. 이러한 금속 산화물의 비제한적인 예는 란타넘, 세륨, 네오디뮴, 가돌리늄, 이트륨, 프라세오디뮴, 사마리움, 하프늄, 텅스텐, 망간, 철, 코발트, 니켈, 구리, 및 아연의 산화물 중 하나 이상을 포함한다. 일부 실시형태에서, 자성 물질은 미립자 형태이다. 입자의 크기는 달라질 수 있고, 예를 들어 기재의 구성(예를 들어, 벽 두께)에 의해서 다소 제한될 수 있다. 예를 들어, 자성 물질은 약 20 nm 이상, 약 25 nm 이상, 또는 약 30 nm 이상의 평균 직경을 갖는 입자의 형태로 존재할 수 있다. 일부 실시형태에서, 입자는 기재 내의 기공으로 유입되기에 충분히 작다(예를 들어, 미크론 크기 범위일 수 있음). 이와 같이, 입자는, 일부 이러한 실시형태에서, 약 1000 nm 미만, 약 800 nm 미만, 약 600 nm 미만, 약 500 nm 미만, 약 300 nm 미만, 약 200 nm 미만, 또는 약 100 nm 미만일 수 있다.
일부 실시형태에서 촉매 기재의 세라믹 물질은 하나 이상의 코디어라이트, 탄화규소, 또는 알루미늄 티타네이트를 포함한다. 일부 실시형태에서, 자성 물질은 촉매 기재 전체에 실질적으로 균일하게 위치된다. 일부 실시형태에서, 자성 물질은 촉매 기재 내의 하나 이상의 특정 영역에 더 농축되어 있다. 예를 들어, 일부 실시형태에서, 촉매 기재는 반경방향 중심 및 반경방향 가장자리를 갖는 원통형이고, 자성 물질은 반경방향 가장자리보다 반경방향 중심에 더 농축되어 있거나, 자성 물질은 반경방향 중심보다 반경방향 가장자리에 더 농축되어 있다. 일부 실시형태에서, 촉매 기재는 입구 단부 및 출구 단부를 포함하고, 자성 물질은 출구 단부보다 입구 단부에 더 농축되어 있거나 입구 단부보다 출구 단부에 더 농축되어 있다.
촉매 기재는 예를 들어, 일부 실시형태에서, 유체 유동에 대해 개방성인 복수의 평행한 가스 통로를 갖는 모놀리식 관류형 기재(monolithic flow-through substrate)이다. 또 다른 예로서, 촉매 기재는 제1 단부 및 제2 단부를 갖고, 복수의 평행한 가스 통로를 갖는 벽 유동형 기재이고, 여기서 복수의 평행한 가스 통로의 일부는 제1 단부에서 차단되고, 제2 단부에서 개방되고, 복수의 평행한 가스 통로의 교호하는(alternate) 부분은 제1 단부에서 개방되고, 제2 단부에서 차단된다.
본원에 제공된 촉매 기재 상에 적합하게 사용될 수 있는 촉매 워시코트는 예를 들어, 생성된 촉매 물품의 목적하는 기능에 따라서 상당히 달라질 수 있다. 일부 실시형태에서, 촉매 워시코트는 일산화탄소의 산화, 탄화수소의 산화, NOx의 산화, NOx의 환원, 암모니아의 산화, NOx의 선택적 촉매 환원, NOx 저장/환원, 산소 저장, 그을음 연소 또는 산화, 및 물-가스-이동 중 하나 이상을 위해 개작된 촉매 물질을 포함한다. 촉매 물질은 예를 들어, 디젤 산화 촉매(DOC), 촉매화된 그을음 필터(CSF), 희박 NOx 트랩(LNT), 선택적 촉매 환원(SCR) 촉매, 필터 상의 SCR 촉매(SCRoF: SCR catalyst on a filter), 암모니아 산화(AMOx) 촉매, NOx 흡수체(absorber), 또는 삼원 촉매(TWC)로서의 사용을 위해서 개작될 수 있다.
본 개시내용은 일부 실시형태에서, 본원에 기재된 바와 같은 촉매 물품(세라믹 물질 및 자성 물질을 포함하며, 여기서 자성 물질은 인가된 교류 자기장에 응답하여 유도 가열할 수 있음) 및 전류를 수신하고 이에 응답하여 교류 전자기장을 발생시키는 전도체를 포함하는 시스템을 추가로 제공하며, 전도체는 발생된 교류 전자기장이 자성 물질의 적어도 일부에 인가되도록 위치된다. 일부 실시형태에서, 전도체는 촉매 물품의 적어도 일부를 둘러싼 전도성 와이어의 적어도 하나의 코일의 형태이다. 시스템은 일부 실시형태에서 전도체에 교류 전류를 공급하기 위해 전도체에 전기적으로 연결된 전력 공급원을 추가로 포함할 수 있다. 시스템은 일부 실시형태에서, 촉매 물품에 유입되는 가스의 온도를 측정하도록 위치된 온도 센서 및 온도 센서와 통신하는 제어기를 추가로 포함하고, 여기서 제어기는 촉매 기재의 유도 가열이 요구될 때 제어기가 전류로 전도체에 에너지를 공급할 수 있도록 전도체에 의해서 수신되는 전류의 제어를 위해서 개작된다.
본 개시내용은 추가로 내연기관으로부터의 배출물을 처리하는 방법을 제공하며, 이 방법은 내연기관으로부터의 배기 가스를 엔진과 유체 연통하는 본원에 기재된 바와 같은 촉매 물품(세라믹 물질 및 자성 물질을 포함하며, 여기서 자성 물질은 인가된 교류 자기장에 응답하여 유도 가열할 수 있음)을 포함하는 배출물 처리 시스템으로 처리하는 단계를 포함한다. 엔진은 일부 실시형태에서 가솔린 엔진, 디젤 엔진, 하이브리드 전기 또는 천연 가스 엔진일 수 있다.
본 개시내용의 이들 및 다른 특징, 양태, 및 이점은 하기 간단히 설명되는 첨부된 도면과 함께 다음의 상세한 설명을 해석함으로써 자명할 것이다. 개시된 발명의 요지는 이러한 특징 또는 요소가 본원의 특정 실시형태 설명에서 명시적으로 조합되었는지 여부에 무관하게, 앞서 설명한 실시형태의 2개, 3개, 4개 이상의 임의의 조합 및 본 개시내용에 기재된 임의의 2개, 3개, 4개 이상의 특징 또는 요소의 조합을 포함한다. 본 개시내용은 이의 다양한 양태 및 실시형태 중 임의의 것에서 개시된 발명의 요지의 임의의 분리 가능한 특성 또는 요소가 문맥이 달리 분명하게 지시하지 않는 한, 조합 가능하도록 의도된 것으로 간주되어야 하는 것으로 전체적으로 해석하고자 한다. 본 개시내용의 다른 양태 및 이점은 다음으로부터 명백해질 것이다.
본 개시내용의 실시형태에 대한 이해를 제공하기 위해 첨부된 도면을 참조하고, 이 도면은 반드시 일정한 비율로 그려지지는 않고, 참조 번호는 본 개시내용의 예시적인 실시형태의 구성요소를 나타낸다. 도면은 단지 예시적이며, 본 개시내용을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
도 1a는 채널 개방부(10), 기재 벽(12) 및 벽에 분산된 자성 입자(20)를 도시한 채널 방향에 수직인 촉매 기재의 부분 단면적이고;
도 1b는 채널 개방부(10), 기재 벽(12) 및 기재 물질의 기공에 분산된 자성 입자(20)를 도시한 채널 방향에 수직인 촉매 기재의 부분 단면적이고;
도 2의 A 및 B는 종방향 자성 물질 분포와 함께 개시된 자성 물질-함유 기재의 실시형태의 묘사이고;
도 3은 반경방향 자성 물질 분포와 함께, 개시된 자기 자성 물질-기재의 실시형태의 묘사이고;
도 4a는 입구 단부(inlet end)(6)와 출구 단부(outlet end)(8), 및 채널(channel)(10)을 갖는 허니컴형 촉매(honeycomb-type catalyst)(2)의 사시도로서, 이것은 기재 내에 자성 물질을 포함하는, 본 개시내용에 따른 기재를 포함할 수 있고;
도 4b는 도 4a에 비해 확대되고 도 4a의 2의 단부 외면(end face)에 평행한 평면을 따라 취해진 2의 부분 단면도로서, 벽(12)과 워시코트 층(14 및 16)이 있는 도 4a에 도시된 복수의 가스 유동 통로(gas flow passage)(10)의 확대도를 도시하고;
도 5는 도 4a에 비해 확대된 섹션의 단면도로서, 여기서 도 4a의 허니컴형 기재 캐리어는 벽 유동형 필터 기재 모놀리스를 나타내고;
도 6은 (43, 45 및 47)에 의해서 서로와 유체 연통하는 내연기관(42), 디젤 산화 촉매(44), 촉매된 그을음 필터(46), 선택적 촉매 환원 촉매(48)를 포함하는, 배출물 처리 시스템(40)의 실시형태의 개략도를 도시하며, 여기서 보 개시내용의 촉매 물품이 활용되고;
도 7는 본 개시내용의 촉매 물품(2)이 사용되고, 전기 전도체(66), 제어기(74), 전원(70) 및 온도 센서(72)를 예시하는 한 가지 구성의 개략도이고;
도 8는 본 개시내용의 하나 초과의 촉매 물품이 사용되고, 관련 전기 전도체, 제어기, 전원 및 온도 센서를 예시하는 배출물 처리 시스템(51)의 실시형태의 개략도이고;
도 9a는 채널 축에 수직인 단면에 있는 실시예 1의 저배율 주사 전자 현미경 영상이고(흑색 영역은 채널 및 공극 공간을 나타내고, 회색 영역은 기재 벽 내의 코디어라이트를 나타내고, 백색 영역은 자성 입자를 나타냄);
도 9b는 채널 축에 수직인 단면에 있는 실시예 1의 고배율 주사 전자 현미경 영상이고(흑색 영역은 채널 및 공극 공간을 나타내고, 회색 영역은 기재 벽 내의 코디어라이트를 나타내고, 백색 영역은 자성 입자를 나타냄);
도 10a는 채널 축에 수직인 단면에 있는 실시예 2의 저배율 주사 전자 현미경 영상이고(흑색 영역은 채널 및 공극 공간을 나타내고, 회색 영역은 기재 벽 내의 코디어라이트를 나타내고, 백색 영역은 자성 입자를 나타냄);
도 10b는 채널 축에 수직인 단면에 있는 실시예 2의 고배율 주사 전자 현미경 영상이고(흑색 영역은 채널 및 공극 공간을 나타내고, 회색 영역은 기재 벽 내의 코디어라이트를 나타내고, 백색 영역은 자성 입자를 나타냄);
도 11은 자기적으로 활성화된 세라믹 기재가 부분을 둘러싼 와이어 코일에 인가된 AC 전위에 의해 생성된 교류 자기장에 노출된 경우 시간의 함수로서 온도를 도시한 차트이고(여기서 제어 데이터는 자성 활성화 없이 표준 세라믹 기재를 사용하여 생성됨);
도 12는 자기적으로 활성화된 세라믹 기재가 부분을 둘러싼 와이어 코일에 인가된 AC 전위에 의해 생성된 교류 자기장에 노출되는 동안 30초마다 수집된 적외선 열 영상의 순서이고;
도 13a 및 도 13b는 전도성 금속 기재가 부분을 둘러싼 와이어 코일에 인가된 AC 전위에 의해 생성된 교류 자기장에 노출되는 경우 수집된 적외선 열 영상의 순서이다.
이제 이하에서 본 개시내용을 보다 완전하게 설명할 것이다. 본원의 개시내용은 특정 실시형태를 참조하여 기술되었지만, 이들 실시형태는 단지 본 개시내용의 원리와 적용을 예시하는 것으로 이해해야 한다. 본 개시내용의 사상과 범위에서 벗어나지 않으면서 본 발명의 요지의 방법 및 장치에 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 개시내용은 첨부된 청구범위 및 그들의 균등물의 범주 내에 있는 변경 및 변형을 포함하도록 의도된다. 본 개시내용은 다음 설명에 기재된 구성 또는 공정 단계의 세부 사항에 제한되지 않는 것으로 이해해야 한다. 본 개시내용은 다른 실시형태가 가능하고 다양한 방식으로 실시되거나 실행될 수 있다. 유사한 번호는 전체적으로 유사한 요소를 나타낸다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 바와 같이, 단수 형태 "a", "an" 및 "the"는, 문맥상 분명하게 달리 표시되지 않는 한, 복수의 지시 대상물을 포함한다.
본 개시내용은 일반적으로 기재 및 상부에 워시코트 층 형태의 하나 이상의 촉매 조성물을 포함하는 촉매 물품에 관한 것이다. 기재는 전형적으로 상부에 촉매 조성물이 적용되고 부착되며, 그것에 의해 촉매 조성물에 대한 담체로 작용하는 복수의 벽 표면을 제공한다. 기재는 자동차 촉매를 제조하는 데 일반적으로 사용되는 유형일 수 있고, 일반적으로 금속 또는 세라믹 허니컴 구조를 포함할 것이다. 기재 및 촉매 조성물(들) 둘 다는 본원에서 아래에 더 상세히 기술될 것이다.
정의
본원에서 관사 "a" 및 "an"은 문법적 대상의 하나 또는 하나 초과(예를 들어, 적어도 하나)를 지칭한다. 본원에 인용된 임의의 범위는 포괄적이다. 전반에 걸쳐 사용되는 용어 "약"은 작은 변동을 기술하고, 설명하기 위해 사용된다. 예를 들어, "약"은 수치 값이 ±5%, ±4%, ±3%, ±2%, ±1%, ±0.5%, ±0.4%, ±0.3%, ±0.2%, ±0.1%, 또는 ±0.05%에 의해 수식될 수 있는 것을 의미할 수 있다. 모든 수치 값은 명시적으로 지시되는지 여부와 상관없이, 용어 "약"에 의해 수식된다. 용어 "약"에 의해 수식된 수치 값은 구체적으로 식별된 값을 포함한다. 예를 들어, "약 5.0"은 5.0을 포함한다.
용어 "저감"은 임의의 수단에 의해 유발되는 양의 감소를 의미한다.
"AMOx"는 암모니아를 질소로 전환시키기에 적합한 선택적 촉매 환원(SCR) 촉매 및 하나 이상의 금속(전형적으로 Pt, 이에 제한되지는 않음)을 포함하는 촉매인 선택적 암모니아 산화 촉매를 지칭한다.
용어 "연관된(associated)"은 예를 들어, "장착된", "연결된" 또는 "연통된", 예를 들어, "전기 연결된" 또는 "유체 연통된" 또는 기능을 수행하기 위한 방식으로 달리 연결됨을 의미한다. 용어 "연관된"은 예를 들어 하나 이상의 다른 물품 또는 요소를 통해 직접적으로 연관됨 또는 간접적으로 연관됨을 의미할 수 있다.
"평균 입자 크기"는 D50과 동의어로, 입자 모집단의 절반이 이 지점 초과이고 나머지 절반은 그 미만의 입자 크기를 갖는다는 것을 의미한다. 입자 크기는 일차 입자를 지칭한다. 입자 크기는 예를 들어 ASTM method D4464에 따라 분산액 또는 건조 분말과 함께 레이저 광 산란 기술에 의해 측정될 수 있다. D90 입자 크기 분포는 입자의 90%(수량에 의함)가 서브미크론 크기 입자에 대해서는 주사 전자 현미경(SEM) 또는 투과 전자 현미경(TEM)에 의해 측정되고, 지지체 함유 입자(미크론 크기)에 대해서는 입자 크기 분석기에 의해 측정되는 특정 크기 미만의 페레트 직경(Feret diameter)을 갖는다는 것을 나타낸다.
용어 "촉매"는 화학 반응을 촉진하는 물질을 지칭한다. 촉매는 "촉매 활성 종" 및 이 활성 종을 담지하거나 지지하는 "지지체"를 포함한다. 예를 들어, 제올라이트는 팔라듐 활성 촉매 종을 위한 지지체이다. 유사하게, 내화성 금속 산화물 입자는 백금족 금속 촉매 종에 대한 지지체일 수 있다. 촉매 활성 종은 화학 반응을 촉진하기 때문에 "촉진제"라고도 한다. 예를 들어, 본 팔라듐-함유 희토류 금속 성분은 Pd 촉진된 희토류 금속 성분으로 불릴 수 있다. "촉진된 희토류 금속 성분"은 촉매 활성 종이 의도적으로 첨가된 희토류 금속 성분을 지칭한다.
개시된 발명의 요지에서 용어 "촉매 물품"은 촉매 코팅 조성물을 갖는 기재를 포함하는 물품을 의미한다.
설명 및 청구범위에 사용된 바와 같은 용어 "구성된"은 용어 "포함하는" 또는 "함유하는"과 마찬가지로 개방형 용어로 의도된다. 용어 "구성된"은 다른 가능한 물품 또는 요소를 배제함을 의미하지 않는다. 용어 "구성된"은 "개작된(adapted)"과 동등할 수 있다.
"CSF"는 벽 유동형 모놀리스(monolith)인 촉매화된 그을음 필터를 지칭한다. 벽 유동형 필터는 교호하는 입구 채널 및 출구 채널로 구성되며, 여기서, 입구 채널은 출구 단부에서 막혀 있고, 배출구 채널은 입구 단부에서 막혀 있다. 입구 채널로 유입되는 그을음-운반 배기 가스 스트림은 출구 채널로부터 나가기 전에 필터 벽을 통과하게 된다. 그을음 여과 및 재생 외에도, CSF는 산화 촉매를 전달하여 CO 및 HC를 CO2 및 H2O로 산화시키거나, NO를 NO2로 산화시켜, 하류의 SCR 촉매작용을 가속화하거나, 더 낮은 온도에서 그을음 입자의 산화를 용이하게 할 수 있다. SCR 촉매 조성물은 또한 SCRoF로 불리는 벽 유동형 필터 상에 직접 코팅될 수도 있다.
"DOC"는 디젤 엔진의 배기 가스에서 탄화수소 및 일산화탄소를 전환시키는 디젤 산화 촉매를 나타낸다. 전형적으로, DOC는 팔라듐 및/또는 백금과 같은 하나 이상의 백금족 금속; 알루미나와 같은 지지체 물질; HC 저장용 제올라이트; 및 선택적으로 촉진제 및/또는 안정화제를 포함한다.
본원에 사용된, 어구 "배출물 처리 시스템"은 2개 이상의 촉매 성분의 조합, 예를 들어, 본원에 개시된 바와 같은 LNT-LT-NA 및 예를 들어, CSF, DOC 또는 선택적 촉매 환원(SCR) 촉매 물품일 수 있는 하나 이상의 추가적인 촉매 성분의 조합을 지칭한다.
일반적으로, 용어 "효과적인"은, 정의된 촉매 활성 또는 저장/방출 활성과 관련하여, 중량 또는 몰을 기준으로, 예를 들어 약 35% 내지 100% 효과적, 예를 들어 약 40%, 약 45%, 약 50% 또는 약 55% 내지 약 60%, 약 65%, 약 70%, 약 75%, 약 80%, 약 85%, 약 90%, 또는 약 95% 효과적인 것을 의미한다.
용어 "배기 스트림" 또는 "배기 가스 스트림"은 고체 또는 액체 미립자 물질을 함유할 수 있는 유동 가스의 임의의 조합을 지칭한다. 스트림은 가스 성분을 포함하고, 예를 들어 희박-연소 엔진의 배기물이며, 이는 액적, 고체 미립자 등과 같은 특정의 비-가스 성분을 함유할 수 있다. 연소 엔진의 배기 가스 스트림은 전형적으로 연소 생성물(CO2 및 H2O), 불완전 연소 생성물(일산화탄소(CO) 및 탄화수소(HC)), 질소 산화물(NOx), 연소성 및/또는 탄소질 미립자 물질(그을음), 및 미반응 산소와 질소를 추가로 포함한다. 본원에 사용된, 용어 "상류" 및 "하류"는 엔진으로부터 테일파이프까지 엔진 배기 가스 스트림의 흐름에 따른 상대적 방향을 지칭하며, 엔진은 상류 위치에 존재하고, 테일파이프 및 임의의 오염 저감 물품, 예컨대 필터 및 촉매는 엔진으로부터 하류에 존재한다. 기재의 입구 단부는 "상류(upstream)" 단부 또는 "전방(front)" 단부와 동의어이다. 출구 단부는 "하류" 단부 또는 "후방" 단부와 동의어이다. 상류 구역은 하류 구역의 상류이다. 상류 구역은 엔진 또는 매니폴드에 더 가까울 수 있으며, 하류 구역은 엔진 또는 매니폴드로부터 더 떨어져 있을 수 있다.
용어 "유체 연통하는(in fluid communication)"은 동일한 배기 라인에 위치된 물품을 지칭하는데 사용된다, 즉, 공통 배기 스트림은 서로 유체 연통하는 물품을 관통한다. 유체 연통하는 물품은 배기 라인에서 서로 인접할 수 있다. 대안적으로, 유체 연통하는 물품은 또한 "워시코팅된 모놀리스"로도 지칭되는 하나 이상의 물품에 의해 분리될 수 있다.
개시된 발명의 요지에서 용어 "기능적 물품"은 촉매 및/또는 흡착제 코팅 조성물과 같은 그위에 배치된 기능적 코팅 조성물을 갖는 기재를 포함하는 물품을 의미한다.
본원에 사용된 "함침된" 또는 "함침"은 지지체 물질의 다공성 구조물 내로의 촉매 물질의 침투를 지칭한다.
코팅층과 관련한 용어 "상에(on)" 및 "위에(over)"는 동의어로 사용될 수 있다. 용어 "~상에 직접"은 ~와 직접 접촉하는 것을 의미한다. 개시되는 물품은 일부 실시형태에서 제2 코팅층 "상의" 하나의 코팅층을 포함하는 것으로 지칭되며, 이러한 언어는 개재 층을 갖는 실시형태를 포함하는 것으로 의도되고, 코팅층들 사이의 직접 접촉이 요구되지 않는다(즉, " 상에"가 "상에 직접적으로"와 동일시되지 않음).
본원에 사용된, 용어 "촉진된"은 희토류 금속 성분의 고유한 불순물과 대조적으로 희토류 금속 성분에 의도적으로 첨가되는 성분을 지칭한다. "촉진제"는 원하는 화학 반응 또는 기능에 대한 활성을 향상시키는 금속이다.
본원에 사용된, 용어 "선택적 촉매 환원"(SCR)은 질소성 환원제를 사용하여 질소 산화물을 이질소(N2)로 환원시키는 촉매 공정을 지칭한다.
본원에 사용된 용어 "질소 산화물" 또는 "NOx"는 NO, NO2 또는 N2O와 같은 질소의 산화물을 지칭한다.
본원에 사용된, 용어 "스트림"은 고체 또는 액체 미립자 물질을 함유할 수 있는 유동 가스의 임의의 조합을 광범위하게 지칭한다. 용어 "가스성 스트림" 또는 "배기 가스 스트림"은 가스성 구성성분, 예컨대, 연소 엔진의 배기가스의 스트림을 의미하며, 이는 동반된 비-가스성 성분, 예컨대, 액적 및 고체 미립자 등을 함유할 수 있다. 연소 엔진의 배기 가스 스트림은 전형적으로 연소 생성물(CO2 및 H2O), 불완전 연소 생성물(일산화탄소(CO) 및 탄화수소(HC)), 질소 산화물(NOx), 연소성 및/또는 탄소질 미립자 물질(그을음), 및 미반응 산소와 질소를 추가로 포함한다.
"실질적으로 없는"은 "거의 없는 또는 전혀 없는" 또는 "의도적으로 첨가되지 않은" 것을 의미하며, 또한 단지 미량 및/또는 의도하지 않은 양을 갖는 것을 의미한다. 예를 들어, 일부 실시형태에서, "실질적으로 없는"은, 지시된 조성물의 총 중량을 기준으로, 2 wt.%(중량%) 미만, 1.5 wt.% 미만, 1.0 wt.% 미만, 0.5 wt.% 미만, 0.25 wt.% 미만 또는 0.01 wt.% 미만을 의미한다.
본원에 사용된, 용어 "기재"은 촉매 조성물, 즉 촉매 코팅이 전형적으로는 워시코트의 형태로 상부에 배치되는 모놀리식(monolithic) 물질을 지칭한다. 하나 이상의 실시형태에서, 기재는 관류형 모놀리스 및 모놀리식 벽 유동형 필터이다. 관류형 및 벽 유동형 기재는 또한 예를 들어, 본원에 참조로 원용되는 국제출원 공개공보 WO2016/070090호에 교시되어 있다. 워시코트는 액체 중 지정된 고체 함량 (예컨대, 중량 대비 30 내지 90%)의 촉매를 포함하는 슬러리를 제조하고, 이어서 이를 기재 상에 코팅하고 건조함으로써 형성되어, 워시코트 층을 제공한다. "모놀리식 기재"에 대한 언급은 입구부터 출구까지 균질하며, 연속적인 일체형 구조물을 의미한다. 워시코트는 액체 비히클에서 입자의 특정 고체 함량(예컨대, 중량 대비 20% 내지 90%)을 포함하는 슬러리를 제조하고, 이어서 이를 기재 상에 코팅하고 건조함으로써 형성되어, 워시코트 층을 제공한다.
본원에 사용된 용어 "상류" 및 "하류"는 엔진으로부터 테일파이프까지 엔진 배기 가스 스트림의 흐름에 따른 상대적 방향을 지칭하며, 엔진은 상류 위치에 존재하고, 테일파이프 및 임의의 오염 저감 물품, 예컨대 필터 및 촉매는 엔진으로부터 하류에 존재한다.
본원에 사용된, 용어 "워시코트"는 처리되는 가스 스트림의 통과를 허용할 정도로 충분히 다공성인 허니컴 유형 기재와 같은 기재 물질에 적용되는 촉매 물질 또는 다른 물질의 얇은 부착성 코팅의 분야에서 통상적인 의미를 갖는다. 본원에 사용되고, 문헌[Heck, Ronald and Farrauto, Robert, Catalytic Air Pollution Control, New York: Wiley-Interscience, 2002, pp. 18-19]에 기술된 바와 같이, 워시코트 층은 모놀리식 기재의 표면이나 하부 워시코트 층(underlying washcoat layer) 위에 배치된 조성상 별개의 물질 층을 포함한다. 기재는 하나 이상의 워시코트 층을 포함할 수 있으며, 각각의 워시코트 층은 어떤 방식으로든 상이할 수 있고/있거나(예를 들어, 입자 크기 또는 결정상과 같은 그의 물리적 특성이 상이할 수 있고) 화학적 촉매 기능이 상이할 수 있다.
달리 지시되지 않는 한, "중량% (wt.%)"는 임의의 휘발성 물질이 없는 전체 조성물을 기준으로 하며, 즉, 건조 고체 함량을 기준으로 한다. 달리 지시되지 않는 한, 모든 부 및 백분율은 중량 기준이다.
본원에 기재된 모든 방법은 본원에서 달리 나타내거나 문맥상 명백하게 모순되지 않는 한, 임의의 적합한 순서로 수행될 수 있다. 본원에서 제공되는 임의의 그리고 모든 예, 또는 예시적인 언어(예를 들어, "예컨대")의 사용은, 단지 물질 및 방법을 더 잘 설명하는 것이 의도되고, 달리 청구되지 않는 한 범주에 제한을 두지 않는다. 본원의 어떠한 언어도 개시된 물질 및 방법의 실시에 필수적인 것으로서 임의의 비-청구된 요소를 나타내는 것으로서 해석되어서는 안된다. 본원에서 언급되는 모든 미국 특허출원, 허여전 공보 및 특허는 그의 전문이 본원에서 참고로 포함된다.
기재
본 개시내용에 따르면, 기재는 일반적으로 기재 "베이스 물질" 및 인가된 교류 전자기장에 응답하여 유도 가열할 수 있는 자성 물질을 포함한다. 촉매 기재 내의 자성 물질의 유도 가열의 사용은 (예를 들어, 촉매 워시코트의 형태로) 촉매 기재의 표면 상에 존재하는 촉매 물질에 열을 안내하는 방식이며, 짧은 시간 동안, 예컨대, 엔진의 냉간시동 동안 촉매 활성에 도움이 되는 작동 온도에 도달할 수 있다. 촉매 물질이 원하는 온도에 빨리 도달할 수 있게 함으로써, 저온에서의 촉매 작용과 일반적으로 관련되어 있는 가스 오염 물질 돌파가 최소화될 수 있다.
"베이스 물질"은 달라질 수 있고, 일반적으로 기재가 구성될 수 있는 임의의 물질이고, 이것은 (예를 들어, 기재의 제조/형성 동안) 내부의 자성 물질의 분산을 허용한다. 본 개시내용에 따라서 사용하기에 적합한 일부 예시적인 베이스 물질은 세라믹이다. 기재를 제조하기 위해 사용된 세라믹 물질은 임의의 적합한 내화 물질, 예를 들어, 코디어라이트, 멀라이트, 코디어라이트-α 알루미나, 질화규소, 지르콘 멀라이트, 스포듀멘, 알루미나-실리카 마그네시아, 지르콘 실리케이트, 실리만나이트, 규산마그네슘, 지르콘, 페탈라이트, α 알루미나, 알루미노실리케이트 등을 포함할 수 있다.
"자성 물질"은 강자성, 페리자성(ferrimagnetic) 및 상자성 물질을 포함할 수 있다. 자성 물질의 형태는 달라질 수 있지만, 일부 실시형태에서, 자성 물질은 기재가 형성되는 베이스 물질 전구체(예를 들어, 세라믹 전구체)를 포함하는 조성물 내에 쉽게 분산될 수 있는 미립자 형태이다. 다른 실시형태에서, 자성 물질은 형성된 그대로의 기재 내의 기공으로 쉽게 관통/침윤될 수 있는 미립자 형태이다.
일부 실시형태에서, 입자의 크기는 사용될 수 있는 자성 물질의 유형에 직접적으로 영향을 미칠 수 있다. 즉, 자성 입자는 일부 실시형태에서 일반적으로, 입자가 (목적하는 효과를 제공하기에 적합한) 특정 크기 역치를 초과하는 한 임의의 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 유용한 입자 크기는 기재 치수에 의해서 제한된다. 일부 실시형태에서, 입자는 특정 역치 미만이어야 한다(예를 들어, 형성된 그대로의 기재의 기공 내에 도입되는 경우, 입자는 유리하게는 기재 내의 평균 기공 크기보다 작음). 입자는 일부 실시형태에서 적어도 부분적으로 전도성 물질로 형성될 수 있지만, 일부 실시형태에서 비-전도성 물질을 포함하는 입자(예를 들어, 비-전도성 물질로 본질적으로 이루어진 입자)가 바람직하다. 일부 실시형태에서, 와전류를 통해 유도적으로 커플링될 수 있는 임의의 물질(예를 들어, 금속 입자, 와이어 단편 및 다른 금속-함유 물질을 포함함)이 이러한 목적을 위해서 사용될 수 있다.
자성 물질 입자의 형태(예를 들어, 형상 및 크기)는 달라질 수 있다. 입자는, 일부 실시형태에서, 나노입자이지만, 이들은 이에 제한되지 않는다. 이와 같이, 일부 실시형태에서, 평균 입자 크기는 약 100 nm 이하(예를 들어, 약 1 nm 내지 약 100 nm)이다. 일부 실시형태에서, 입자는 이러한 범위의 더 작은 부분에 존재한다. 예를 들어, 일부 실시형태에서, 평균 입자 크기는 약 60 nm 이하(예를 들어, 약 1 nm 내지 약 60 nm), 또는 약 50 nm 이하(예를 들어, 약 1 nm 내지 약 50 nm)이다. 일부 실시형태에서, 입자는 이 범위의 더 큰 부분, 예를 들어, 약 60 nm 이상(예를 들어, 약 60 nm 내지 약 100 nm 또는 약 80 nm 내지 약 100 nm)이다. 일부 실시형태에서, 입자는 심지어는 더 크고, 예를 들어, 약 100 nm 이상(예를 들어, 약 100 nm 내지 약 500 nm, 약 100 nm 내지 약 400 nm, 약 100 nm 내지 약 300 nm, 약 100 nm 내지 약 200 nm, 또는 약 100 nm 내지 약 150 nm)이다. 일부 실시형태에서, 더 큰 입자에 의해서 더 양호한 가열이 제공되고, 따라서, 이러한 실시형태에서 평균 입자 크기는 약 25 nm 이상이다. 상기에 언급된 바와 같이, (즉, 입자가 기재 전구체에 첨가되어 기재와 함께 직접 압출되는 또는 기재의 제조 후 첨가되든 간에) 적합한 입자 크기는 본원에 기재된 바와 같은 촉매 물품의 제조 방법에 좌우될 수 있다는 것이 주목된다.
일부 실시형태에서, 입자는 실질적으로 단분산성이지만, 본 개시내용은 이에 제한되지 않는다. 일부 실시형태에서, 입자는 이봉형 입자 크기 분포를 나타낼 수 있다. 일부 실시형태에서, 자성 물질은 초상자성 물질로 표시되는 나노입자 자성 물질을 포함한다. 그러나, 일부 실시형태에서, 자성 물질은 나노와이어, 나노튜브의 형태로, 또는 자성 물질이 이의 제조 시에 기재 내에 분산되는 한 시트 형태로 사용될 수 있다.
교류 전자기장의 존재 하에 유도 가열할 수 있는 임의의 물질이 사용될 수 있지만, 유리한 자성 물질은 전이 금속 또는 희토류 금속을 물질, 예컨대, 이러한 전이 금속 또는 희토류 금속을 포함하는 산화물을 포함한다. "희토류 금속"은 원소 주기율표에 정의된 스칸듐, 이트륨 및 란타넘 계열 또는 이들의 산화물을 지칭한다. 희토류 금속의 예는 란타넘, 세륨, 네오디뮴, 가돌리늄, 이트륨, 프라세오디뮴, 사마리움, 하프늄 및 이들의 혼합물을 포함한다. 자성 물질의 성분으로 사용될 수 있는 전이 금속의 예는 텅스텐, 망간, 철, 코발트, 니켈, 구리 및 아연을 포함한다. 전이 금속과 희토류 금속의 혼합물이 동일한 자성 물질에 사용될 수 있다. 많은 자성 금속의 산화물 형태가 본 개시내용에 사용되는데, 그 이유는 이는 금속 산화물이 엔진으로부터의 배출물을 처리하는 데 사용되는 촉매 시스템과 보통 관련되는 작동 온도에서 고도로 안정적인 경향이 있기 때문이다.
베이스 물질 및 자성 물질 둘 다를 포함하는 본원에 개시된 기재는 다양한 방식으로 제조될 수 있다. 이러한 기재를 제조하는 방법의 두 가지 예는 본원에서 "조합" 방법 및 "함침" 방법으로 지칭되는 하기에 더 상세히 기재되어 있다. 간략하면, 조합 방법은 베이스 물질 전구체 및 자성 물질 둘 다를 포함하는 조성물을 압출하여 기재를 형성하는 것을 포함하고, 함침 방법은 베이스 물질을 포함하는 기재를 제조하고, 해당 기재를 자성 물질과 함침(예를 들어, 이로 인해서 자성 물질이 기재 내의 기공 내에 도입됨)시키는 것을 포함한다. 이들 방법은 상호 배타적이지 않으며, 일부 실시형태에서, 자성 물질을 포함하는 기재를 조합 방법을 통해 제조하고, 그 다음 기재(제1 자성 물질을 포함함)를 함침 방법으로 처리하여 제2 자성 물질(이것은 제1 자성 물질과 동일하거나 상이할 수 있음)을 도입하는 것이 주목된다. 이러한 방법은 일부 실시형태에서 기재와 연관된 자성 물질의 양을 최대화하는 데 유리할 수 있다.
일부 실시형태에서, 자성 물질을 포함하는 기재는 다음과 같은 조합 방법을 통해 제조된다. 자성 물질은 베이스 물질 전구체(예를 들어, 세라믹 전구체)의 조성물(예를 들어, 용액 또는 슬러리)과 조합된다. 자성 물질은 전형적으로(항상 그런 것은 아니지만) 미립자 물질 형태이다. 조합은 혼합, 밀링, 진탕 등을 포함하여 자성 물질의 전체 분산을 촉진할 수 있다. 생성된 혼합물은 (예를 들어, 압출을 통해 또는 주형에 붓고 하소 및 건조시킴으로써) 기재로 형성된다. 세라믹 기재를 제조하는 일반적인 방법은 알려져 있으며, 예를 들어, 전문이 본원에 참조에 의해 포함된 미국 특허 제5,314,650호; 제5,403,787호; 제6,455,124호; 제8,673,206호; 및 제9,808,794호(모두 Corning, Inc.)에 기재되어 있다. (적절하게 형성되고, 소성되고, 건조된 후) 생성된 기재는 일반적으로 베이스 물질 내에 분산된 자성 물질을 포함할 것이다. 분산액은 베이스 물질 내에서 균질할 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다.
조합 방법의 일 실시형태에 따라 제조된 기재 단면의 일부가 도 1a에 도시되어 있고, 여기서 흑색은 베이스 물질을 나타내고 백색 점은 자성 물질을 나타낸다. 도 1a에서, 예시적인 기재는 상류에서 하류 단부까지 기재를 통해 연장되는 벽(12)에 의해 형성된 유동 통로(10)를 포함하고, 여기서 자성 물질(20)은 벽(12) 내에 분산된다. 이 도면은 도 4a, 도 4b 및 도 5를 참고하여 더 잘 이해될 수 있는데 이것은 기재(예를 들어, 하기 본원에서 보다 상세하게 설명될 바와 같은 관류형 기재 또는 벽 유동형 필터일 수 있음) 상에 배치된 워시코트 조성물을 포함하는 예시적인 촉매를 도시한다.
또 다른 실시형태에서, 자성 물질을 포함하는 기재는 다음과 같은 함침 방법을 통해 제조된다. 베이스 물질을 포함하는 기재는 먼저 당업계에 알려진 임의의 방법(예를 들어, 압출 또는 주형에 붓는 것 등)에 따라, 예를 들어, 상기에 언급된 Corning, Inc.의 특허에 요약된 바와 같이 제조되며, 이는 본원에 참조에 의해 포함된다. 별도로, 자성 물질이 제공되며, 제조된 기재와 조합된다(기재를 건조 및 소성하기 전 또는 후). 자성 물질은 다양한 형태, 예를 들어 용액, 분산액, 현탁액 또는 고체 형태로 도입될 수 있다. 예를 들어, 자성 물질은 기재의 기공 내에 침투하여 자성 물질이 기재의 기공 내에 함유되도록 한다. 함침 공정은 기공 내의 자성 물질의 침투를 촉진하기 위해서 진탕, 압력 가하기, 가열 등을 추가로 포함할 수 있다. (적절하게 형성되고, 소성되고, 건조된 후) 생성된 기재는 일반적으로 베이스 물질의 기공 내에 분산된 자성 물질을 포함할 것이다. 분산액은 기공 내에서 균질할 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다.
함침 방법의 일 실시형태에 따라 제조된 기재 단면의 일부가 도 1b에 도시되어 있고, 여기서 흑색은 베이스 물질을 나타내고, 백색의 불규칙한 부분은 베이스 물질 내의 기공을 나타내고, 기공 내의 검은 점은 자성 물질을 나타낸다. 예시적인 기재는 상류에서 하류 단부까지 기재를 통해 연장되는 벽(12)에 의해 형성된 유동 통로(10)를 포함하고, 여기서 자성 물질(20)은 벽(12) 내의 기공 내에 분산된다. 다시, 이 도면은 도 4a, 도 4b 및 도 5를 참고하여 더 잘 이해될 수 있는데 이것은 기재(예를 들어, 하기 본원에서 보다 상세하게 설명될 바와 같은 관류형 기재 또는 벽 유동형 필터일 수 있음) 상에 배치된 워시코트 조성물을 포함하는 예시적인 촉매를 도시한다.
일부 실시형태에서, 기재 내(베이스 물질 내 또는 베이스 물질의 기공 내) 자성 물질의 분포는 기재 전체에 걸쳐 비교적 균일하다. 본 개시내용은 대체로 기재 전체 내에서 자성 물질의 실질적으로 균일한 분포를 구상하지만, 일부 실시형태에서 기재가 자성 물질이 첨가되지 않은 베이스 물질을 포함하는 영역 및 베이스 물질 및 첨가된 자성 물질을 포함하는 영역을 포함하도록 기재의 일부 내에만 자성 물질을 혼입하는 것이 바람직할 수 있음이 주목된다. 일부 실시형태에서, 자성 물질은 기재 내/기재의 기공 내에 그리고 기재의 표면 상에(예를 들어, 기재 전체에 걸쳐 그리고 기재의 벽 상에) 혼입된다. 다른 실시형태에서, 이는 기재 내에만(또는 실질적으로 기재 내에만/기재의 기공 내에만) 혼입된다.
일부 실시형태에서, 자성 물질의 농도는 기재 전체에 걸쳐 달라진다. 일부 실시형태에서, 자성 입자는 기재의 출구 단부보다 입구 단부에 더 높은 농도가 존재하도록(베이스 물질 내에 또는 베이스 물질의 기공 내에) 분포된다(종방향 불균일성). 이러한 분포 프로파일의 두 가지 예가 도 2의 A 및 B에 도시되어 있는데, 2는 기재이고, 자성 입자의 "최대" 양은 기재의 좌측(입구 단부인 것으로 이해됨)에 표시되고, 자성 입자의 "최소" 양은 기재의 우측(출그 단부인 것으로 이해됨)에 표시된다. 도 2의 A 및 B의 실시형태에서 기재의 길이를 따르는 최대에서 최소까지의 곡선/선의 정확한 형상은 달라질 수 있고, 도시된 형상에 제한되지 않는다. 예를 들어, "최대" 분포는 도시된 것보다 기재의 길이를 따라 입구로부터 더 멀리 연장될 수 있다. 도 2의 A 및 B는 기재의 종 방향에서 자성 물질 농도의 가변성의 예로서만 제공된다. "최대" 및 "최소" 값은 달라질 수 있고, 최소는 양의 값일 수 있고(즉, 기재는 "최대"보다 작은 지정된 영역에서 일부 양의 자성 물질을 포함할 수 있음); 다른 실시형태에서 "최소" 값은 0이다(즉, 기재는 지정된 영역에서 자성 입자를 포함하지 않음).
일부 실시형태에서, 자성 입자는 도 3에 일반적으로 도시된 바와 같이 기재의 외부보다 기재의 단면 중앙에 더 높은 농도가 존재하도록 반경방향으로 분포된다. 도시된 바와 같이, 기재의 원형 단면의 중심은 "최대" 농도를 가지며 원형 단면의 외부에서 "최소" 농도로 점점 약해진다(반경방향 불균일성). 그러한 단면은 기재의 길이를 따라 일정/균일할 수 있거나, 도 2의 A 및 B와 관련하여 일반적으로 설명된 바와 같이 달라질 수 있다(즉, 일부 실시형태에서, 자성 물질의 로딩은 종 방향 및 반경방향 양측으로 달라질 수 있음). 다시, 도 3은 기재의 반경방향 방향 또는 축 방향에서 자성 물질 농도의 가변성의 예로서만 제공된다. 단면의 내부에서 외부로의 분포의 정확한 변화는 달라질 수 있다(예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같은 곡선의 정확한 형상은 달라질 수 있다). "최대" 및 "최소" 값은 달라질 수 있고, 최소는 양의 값일 수 있고(즉, 기재는 "최대"보다 작은 지정된 영역에서 일부 양의 자성 물질을 포함할 수 있음); 다른 실시형태에서 "최소" 값은 0이다(즉, 기재는 지정된 영역에서 자성 입자를 포함하지 않음).
소정의 기재(예를 들어, 베이스 물질 내에 혼입됨, 베이스 물질의 기공 내에 및/또는 하나 이상의 표면에 혼입됨)과 연관된 자성 물질의 정확한 양은 달라질 수 있다. 전형적으로, 인가된 교류 전자기장에 응답하여 기재 및 이어서 상부에 침착된 임의의 촉매 조성물(들)의 유도 가열을 효과적으로 초래하는데 유용한 자성 물질의 양에 대해 하한선에 약간의 제한이 있다. 일반적으로 자성 물질 농도가 높을수록 가열 효율이 높아진다. 그러나, (예를 들어, 압출될 조성물의 능력에 부정적인 영향을 미침으로써) 기재의 제조를 상당히 손상시키지 않으면서 또는 생성된 기재의 임의의 물성(예를 들어, 강도)을 크기 손상시키지 않고 기재 구조 내에 효과적으로 혼입될 수 있는 자성 물질의 양에 대한 상한에는 일부 제한이 있다.
본 개시내용에 따라 제조되는 기재의 형태는 달라질 수 있고, 예컨대, 통로가 유체 흐름에 개방되도록 기재의 입구면에서 출구 외면까지 연장되는 복수의 미세하고 평행한 가스 통로를 갖는 모놀리식 관류형 기재일 수 있다. 입구에서 출구까지 본질적으로 직선 경로인 통로는, 통로를 통해 흐르는 가스가 촉매 물질과 접촉하도록 촉매 물질이 워시코트로 코팅된 벽으로 경계가 지어져 있다. 모놀리식 기재의 유동 통로는 사다리꼴, 직사각형, 정사각형, 사인곡선형, 육각형, 타원형, 원형 등과 같은 임의의 적합한 단면 형상을 가질 수 있는 얇은 벽 채널이다. 이러한 구조는 단면의 제곱 인치당 약 60 내지 약 1200 또는 그 이상의 가스 주입 개구부들(즉, "셀")(cpsi), 더 일반적으로 약 300 cpsi 내지 600 cpsi를 함유할 수 있다. 관류형 기재의 벽 두께는 다양할 수 있으며, 전형적인 범위는 0.002 인치 내지 0.1 인치이다. 대표적인 상업적으로-입수 가능한 관류형 기재는 400 cpsi 및 6 mil의 벽 두께, 또는 600 cpsi 및 4 mil의 벽 두께를 갖는 코디어라이트 기재가다. 그러나, 개시된 발명의 요지는 특정 기재 유형, 물질 또는 기하구조에 한정되지 않는다는 것을 이해할 것이다.
일부 실시형태에서, 기재는 벽 유동형 기재일 수 있으며, 여기서, 각각의 통로는 기재 본체(substrate body)의 하나의 단부에서 비-다공성 플러그(plug)로 차단되어 있고, 교호하는 통로는 반대편 단부-면에서 차단되어 있다. 이는 가스 유동이 벽 유동형 기재의 다공성 벽을 통과하여 출구에 도달하는 것을 필요로 한다. 이러한 모놀리식 기재는 최대 약 700 이상의 cpsi, 예컨대 약 100 cpsi 내지 400 cpsi, 예를 들어, 약 200 cpsi 내지 약 300 cpsi를 포함할 수 있다. 셀의 단면 형상은 전술된 바와 같이 다양할 수 있다. 벽 유동형 기재의 벽 두께는 전형적으로 0.002 인치 내지 0.1 인치이다. 대표적인 상업적으로 입수 가능한 벽 유동형 기재는 다공성 코디어라이트로 구성되며, 이의 예는 200 cpsi 및 10 mil 벽 두께 또는 300 cpsi 및 8 mil 벽 두께, 및 40% 내지 70%의 벽 기공률(porosity)을 갖는다. 알루미늄-티타네이트, 탄화규소 및 질화규소와 같은 다른 세라믹 물질이 또한 벽 유동형 필터 기재로서 사용된다. 그러나, 개시된 발명의 요지는 특정 기재 유형, 물질 또는 기하구조에 한정되지 않는다는 것을 이해할 것이다. 기재가 벽 유동형 기재인 경우, 이와 연관된 촉매 조성물(예를 들어, CSF)이 벽의 표면에 배치되는 것에 더하여 다공성 벽의 기공 구조로 침투할 수 있음(즉, 기공 개구부를 부분적으로 또는 완전히 폐쇄함)에 유의해야 한다.
도 4a 및 도 4b는, 본원에 기재된 바와 같은 워시코트 조성물로 코팅된 관류형 기재 형태의 예시적인 촉매(2)를 예시한다. 도 4a를 참조하면, 예시적인 촉매(2)는 원통형 형상을 가지며 원통형 외부 표면(4), 상류 단부 외면(6) 및 단부 외면(6)과 동일한 상응하는 하류 단부 외면(8)을 갖는다. 촉매(2)는 내부에 형성된 복수의 미세하고 평행한 가스 유동 통로(10)를 갖는다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 유동 통로(10)는 벽(12)에 의해 형성되고 담체(2)를 통해 상류 단부 외면(6)에서 하류 단부 외면(8)까지 연장되며, 통로(10)는 유체, 예를 들어 가스 스트림이 그의 가스 유동 통로(10)를 통해 담체(2)를 종방향으로 관통하여 유동할 수 있도록 방해받지 않는다. 도 4b에서 보다 쉽게 확인된 바와 같이, 벽(12)은 유동 통로(10)가 실질적으로 규칙적 다각형 형상을 갖도록 치수화되고, 구성된다. 나타낸 바와 같이, 촉매 조성물은 원하는 경우, 다수의 별개의 층으로 적용될 수 있다. 예시된 실시형태에서, 촉매 조성물은 담체 부재의 벽(12)에 부착된 별개의 하부 층(14) 및 하부 층(14) 위에 코팅된 제2 별개의 상부 층 (16) 둘 모두로 이루어진다. 본 개시내용은 하나 이상의(예를 들어, 2, 3 또는 4개와 같은) 촉매 층으로 실시될 수 있으며, 도 4b에 도시된 2층 실시형태로 제한되지는 않는다.
대안적으로, 도 4a 및 도 5는 워시코트 조성물로 코팅된 벽 유동형 필터 기재 형태의 예시적인 기재(2)를 도시한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 예시적인 기재(2)는 복수의 통로(22)를 갖는다. 통로는 필터 기재의 내벽(23)에 의해 관형으로 둘러싸여 있다. 기재는 입구 단부(24)와 출구 단부(26)를 갖는다. 교호하는 통로는 입구 플러그(28)로 입구 단부가 막히고 출구 플러그(30)로 출구 단부가 막혀서 입구(24)와 출구(26)에서 대향하는 체커보드 패턴(checkerboard pattern)을 형성한다. 가스 스트림(32)은 막히지 않은 채널 입구(34)로 들어가고, 출구 플러그(30)에 의해 정지되고, 채널 벽(23)(다공성임)을 통해 출구측(36)으로 확산한다. 가스는 입구 플러그(28) 때문에 벽의 입구측으로 다시 통과할 수 없다. 일부 실시형태에서 사용되는 다공성 벽 유동형 필터는 상기 요소의 벽이 하나 이상의 촉매 물질을 상부에 갖거나 내부에 함유한다는 점에서 촉매된다. 촉매 물질은 요소 벽의 입구측에만 존재하거나, 출구측에만 존재하거나, 입구측과 출구측 모두에 존재할 수 있거나, 벽 자체가 촉매 물질의 전부 또는 일부로 충전될 수 있다. 본 개시내용은 요소의 벽 내에 입구 및/또는 출구 벽 상에 하나 이상의 촉매 물질 층의 사용을 포함한다.
일부 실시형태에서, 기재의 물질 내에(예를 들어, 관류형 기재 또는 벽 유동형 필터를 통해) 또는 기재의 기공 내에 직접적인 자성 물질의 분산은 개방이 일어나도록 설계된 통로를 거의 차단하거나 완전히 차단하는 것을 보장한다. 추가로, 이러한 자성 물질의 분산은, 일부 실시형태에서, 전기장에 노출되는 경우 기재 자체 및 그 상의 촉매 조성물의 실질적인 균일한 가열을 제공할 수 있다. 자성 물질이 기재 전체에 걸쳐서 분포되는 경우(예를 들어, 베이스 물질 전체의 분산을 통해서 또는 베이스 물질의 기공 내의 오염물을 통해서), 이것은 기재의 모든 표면을 실질적으로 균일하게 유도 가열하는 것을 허용할 수 있어서 상부의 촉매 조성물이 마찬가지로 실질적으로 균일하게 가열된다.
촉매 조성물
기재 상에 코팅된 촉매 조성물은 개시된 발명의 요지로부터 벗어나지 않으면서 달라질 수 있고, 예를 들어, 가솔린 또는 디젤 엔진의 배출 제어 시스템에 일반적으로 사용되는 임의의 촉매 활성 물질을 포함한다. 예를 들어, 촉매 활성 물질은 일산화탄소의 산화, 탄화수소의 산화, NOx의 산화, 암모니아의 산화 및 NOx의 선택적 촉매 환원 중 하나 이상을 위해서 개작된 조성물의 부분일 수 있다.
이러한 촉매 물질은 전형적으로 내화 금속 산화물과 분자체를 포함하는 예시적인 지지체와 함께 다공성 지지체에 함침되거나 이온 교환된 하나 이상의 촉매 금속을 포함할 것이다. 일부 실시형태에서, 촉매 금속은 비금속, 백금족 금속, 비금속 또는 백금족 금속의 산화물, 및 이들의 조합으로부터 선택된다. 본 개시내용에 사용되는 촉매 물질은 위에 언급된 바와 같은 구성의 물질뿐만 아니라, 기능 및 유형에 기초하여 기술될 수 있다. 예를 들어, 촉매 물질은 디젤 산화 촉매(DOC), 촉매화된 그을음 필터(CSF), 희박 NOx 트랩(LNT), 선택적 촉매 환원(SCR) 촉매, 필터 상의 SCR 촉매(SCRoF), 암모니아 산화(AMOx) 촉매, 또는 삼원 촉매(TWC)일 수 있다. 추가적인 예는 휘발성 유기 탄화수소(VOC) 산화 촉매 또는 실온 탄화수소 산화 촉매로 사용하기에 적합한 촉매 활성 입자를 포함한다.
DOC 또는 CSF 촉매는 전형적으로 알루미나와 같은 금속 산화물 지지체 위에 함침된 하나 이상의 PGM 성분을 포함하고, 선택적으로 세리아 또는 세리아/지르코니아와 같은 산소 저장 성분(OSC: oxygen storage component)을 더 포함하고, 전형적으로 탄화수소와 일산화탄소 모두의 산화를 제공한다.
LNT 촉매는 일반적으로 지지체 위에 함침된 하나 이상의 PGM 성분 및 NOx 포획 성분(예를 들어, 세리아 및/또는 알칼리 토금속 산화물)을 포함한다. LNT 촉매는 희박 조건 하에서 NOx를 흡착하며, 풍부 조건 하에서 저장된 NOx를 질소로 환원시킬 수 있다.
SCR 촉매는 적절한 양의 산소의 존재 하에 질소 산화물의 환원제로 인한 촉매 환원에 적합하다. 환원제는 예를 들어 탄화수소, 수소, 및/또는 암모니아일 수 있다. SCR 촉매는 전형적으로 촉진제 금속, 예컨대 구리 또는 철과 이온 교환된 분자체(예를 들어, 제올라이트)를 포함하고, 예시적인 SCR 촉매는 FeBEA, FeCHA 및 CuCHA를 포함한다.
TWC 촉매는 탄화수소, 일산화탄소 및 질소 산화물이 실질적으로 동시에 변환되는 삼원 변환(three-way conversion)의 기능을 나타낸다. 전형적으로, TWC 촉매는 하나 이상의 백금족 금속, 예컨대 팔라듐 및/또는 로듐 및 선택적으로 백금, 및 산소 저장 성분을 포함한다. 풍부 조건 하에서, TWC 촉매는 일반적으로 암모니아를 발생시킨다.
AMOx 촉매는 암모니아를 변환시키기에 적합한 하나 이상의 금속을 포함하는 촉매이고 일반적으로 알루미나 또는 티타니아와 같은 지지체 물질 상에 지지되는 암모니아 산화 촉매를 지칭한다. 예시적 AMOx 촉매는 지지된 백금족 금속(예를 들어, 알루미나 상에 함침된 백금)과 함께 구리 제올라이트를 포함한다.
이러한 촉매 조성물을 제조하는 방법은 종종 PGM 또는 비금속 용액으로 다공성 지지체의 함침 및/또는 금속 전구체 용액을 사용한 분자체의 이온 교환 공정을 수반한다. 개시된 자성 물질-함유 기재와 함께 사용될 수 있는 촉매 조성물을 제조하기 위해 알려진 이러한 방법 및 다른 방법은 예를 들어, 그 전체 내용이 본원에 인용되어 포함되어 있는 Bull 등의 미국 특허 제9,138,732호와 Trukhan 등의 미국 특허 제8,715,618호에 기술된 바와 같이 당업계에 일반적으로 알려져 있다.
일부 실시형태에서, 촉매 조성물은 (본원에 개시된 바와 같은 기재에 함유된 자성 물질 이외에) 자성 물질을 포함할 수 있고, 여기서 자성 물질은 동일하거나 상이할 수 있다. 전문이 본원에 참조에 의해 포함된, 양 등(Yang et al.)의 국제 출원 공개 WO2017/195107호 참조.
기재 코팅 공정
촉매 조성물은 물과 혼합되어 (건조 형태인 경우) 촉매 기재를 코팅하기 위한 슬러리를 형성할 수 있다. 촉매 입자 이외에도, 슬러리는 결합제로서 알루미나, 회합성(associative) 증점제, 및/또는 계면활성제(음이온성, 양이온성, 비-이온성 또는 양쪽성 계면활성제를 포함함)를 선택적으로 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 슬러리의 pH는, 예를 들어, 약 3 내지 약 5의 산성 pH로 조정될 수 있다. 존재할 때, 알루미나 결합제는 전형적으로 약 0.02 g/in3 내지 약 0.5 g/in3의 양으로 사용된다. 알루미나 결합제는, 예를 들어, 베마이트, 감마-알루미나, 또는 델타/쎄타 알루미나일 수 있다.
슬러리는 입자의 혼합 및 균질한 물질의 형성을 향상시키기 위해 밀링될 수 있다. 밀링은 볼 밀, 연속적 밀, 또는 다른 유사한 장비에서 달성될 수 있고, 슬러리의 고형물 함량은, 예를 들어 약 20 중량% 내지 60 중량%, 예를 들어, 약 30 중량% 내지 40 중량%일 수 있다. 일 실시형태에서, 밀링 후 슬러리(post-milling slurry)는 약 10 미크론 내지 약 50 미크론(예를 들어, 약 10 미크론 내지 약 20 미크론)의 D90 입자 크기를 특징으로 한다. D90은 입자의 약 90%가 더 미세한 입자 크기를 갖는 입자 크기로 정의된다.
슬러리는 그 다음 당업계에서 알려진 워시코트 기술을 사용하여 촉매 기재 상에 코팅된다. 본원에 사용된, 용어 "워시코트"는, 처리되고 있는 가스 스트림의 통과를 허용하기에 충분히 다공성인 허니컴 관류형 모놀리스 기재 또는 필터 기재와 같은 기재에 적용되는 물질의 얇은 접착성 코팅의 기술 분야에서 그 일반적인 의미를 갖는다. 본원에 사용되고, 문헌[Heck, Ronald and Robert Farrauto, Catalytic Air Pollution Control, New York: Wiley-Interscience, 2002, pp. 18-19]에 기술된 바와 같이, 워시코트 층은 모놀리식 기재의 표면이나 하부 워시코트 층 위에 배치된 조성상 별개의 물질 층을 포함한다. 기재는 하나 이상의 워시코트 층을 함유할 수 있으며, 각각의 워시코트 층은 고유한 화학 촉매 기능을 가질 수 있다.
일부 실시형태에서, 기재는 슬러리에 1회 이상 침지되거나 그렇지 않으면 슬러리로 코팅된다. 그 후에, 코팅된 기재는 일정 기간(예를 들어, 1 내지 3시간) 동안 상승된 온도(예를 들어, 100 내지 150℃)에서 건조된 다음, 예를 들어 400 내지 600℃에서 전형적으로 약 10분 내지 약 3시간 동안 가열함에 의해 하소된다. 건조 및 소성 이후, 최종 워시코트 코팅층은 본질적으로 용매가 없는 것으로 간주될 수 있다.
소성 후, 촉매 로딩은 기재의 코팅된 중량과 코팅되지 않은 중량의 차이를 계산하여 결정될 수 있다. 당업자에게 명백할 것인 바와 같이, 촉매 로딩은 슬러리 레올로지를 변경함으로써 조정될 수 있다. 또한, 코팅/건조/소성 공정은 코팅을 목적하는 로딩 수준 또는 두께로 구축하기 위해 필요에 따라 반복될 수 있다.
촉매 조성물은 단일 층 또는 다중 층으로 적용될 수 있다. 로딩 수준을 높이기 위해 동일한 촉매 물질을 반복적으로 워시코팅하여 생성된 촉매 층은 전형적으로 단일 촉매 층으로 간주된다. 다른 실시형태에서, 촉매 조성물은 각각의 층이 상이한 조성을 갖는 다중 층으로 적용된다. 또한, 촉매 조성물은 구역-코팅될 수 있으며, 이는 단일 기재가 가스 유출물 유동 경로를 따라 상이한 영역에서 상이한 촉매 조성물로 코팅될 수 있음을 의미한다.
배출물 처리 시스템
본 개시내용은 또한 본원에 기재된 촉매 물품을 포함하는 배출물 처리 시스템을 제공한다(여기서 기재는 베이스 물질 및 자성 물질을 포함함). 촉매 물품은 전형적으로 가솔린 또는 디젤 배기 가스 배출물을 처리하기 위해 하나 이상의 추가 구성요소를 포함하는 통합 배출물 처리 시스템에서 사용된다. 이와 같이, "배기 스트림", "엔진 배기 스트림", "배기 가스 스트림" 등의 용어는 엔진 유출물뿐만 아니라, 본원에 기술된 바와 같은 하나 이상의 다른 촉매 시스템 구성요소의 하류 유출물(effluent downstream)을 나타낸다.
본원에 개시된 바와 같은 유도 가열에 적합한 기재를 포함하는 촉매 물품은 다른 구성요소와 관련하여 배출물 처리 시스템 내의 다양한 위치에 위치할 수 있다. 일부 실시형태에서, 개시된 촉매 물품은 엔진에 직접 결합된다. 엔진과 촉매 물품 사이의 거리는 매우 짧아서 소위 "밀접 결합된" 촉매 배열을 초래할 수 있다. 대안적으로, 엔진에서 촉매까지의 거리는 더 길어서, "언더플로어(underfloor)" 구성을 초래할 수 있다. 본원에 개시된 촉매 물품은 대안적으로 하나 이상의 다른 성분이 엔진과 촉매 물품 사이에 존재하도록 위치할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 다른 촉매 물품은 개시된 촉매 물품의 상류에 존재할 수 있다. 하나 이상의 다른 촉매 물품은 개시된 촉매 물품의 하류에 존재할 수 있다.
하나의 예시적인 배출물 처리 시스템이 도 6에 예시되어 있는데, 이것은 배출물 처리 시스템(40)의 개략도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 가스 오염 물질과 미립자 물질을 포함하는 배기 가스 스트림은 엔진(43)으로부터 배기관(42)을 통해 디젤 산화 촉매(DOC)(44)로 운반된다. DOC(44)에서, 미연 가스 및 비휘발성 탄화수소(즉, SOF)와 일산화탄소는 대부분 연소되어 이산화탄소와 물을 형성한다. 또한, NOx 성분 중 NO의 일부가 DOC에서 NO2로 산화될 수 있다. 다음에, 배기 스트림은 배기관(45)을 통해 배기 가스 스트림 내에 존재하는 미립자 물질을 포획하는 촉매화된 그을음 필터(CSF)(46)로 운반된다. CSF(46)는 수동 또는 능동 그을음 재생(soot regeneration)을 위해 선택적으로 촉매화된다. 미립자 물질을 제거한 후, CSF(46)를 통해, 배기 가스 스트림은 NOx의 추가 처리 및/또는 변환을 위해 배기관(47)을 통해 하류의 선택적 촉매 환원(SCR) 성분(48)으로 운반된다. 위에 언급된 촉매 성분 중 임의의 성분 또는 전부, 또는 기타 선택적 촉매 성분은 자성 물질을 포함하는, 본원에 개시된 기재를 포함할 수 있다는 것을 주목하기 바란다. 본 개시내용은 이에 제한되지 않고; 본원에 개시된 원리는 다양한 상이한 유형의 촉매와 관련이 있고, 광범위한 다수의 촉매 및 관련 배출물 처리 시스템의 맥락에서 사용될 수 있다는 것이 주목된다.
도 7은 예시적인 촉매 물품(50)의 개략도를 제공하고, 여기서 화살표(52 및 52')는 엔진 유출물의 이동 방향을 나타낸다(52는 촉매에 들어가는 가스를 나타내고, 52'는 나가는/촉매에 의해 처리되는 가스를 나타낸다). 도시된 바와 같이, 촉매 물품(50)은 배기관 캔(54) 안에 둘러싸인 촉매(2)를 포함한다. 예시된 실시형태에서, 촉매(2)는 본원에 기재된 바와 같은 자성 물질을 포함한다. 와이어 코일(66)은 기재 내의 자성 물질의 유도성 가열을 위해 개작된 교류 자기장(68)을 제공하기 위해 촉매(2)를 둘러싸고, 이 와이어 코일은 전원(70)에 부착된다. 도시된 실시형태는 코일 구조를 제한하도록 의도되지 않음을 유의한다. 예를 들어, 일부 실시형태에서, 코일은 단일 코일을 포함하지 않고, 오히려 2개 이상의 개별 코일을 포함한다. 이러한 일부 구성에서, 기재는 전방(상류) 단부가 하나의 코일로 둘러싸이고, 후방(하류) 단부가 다른 코일로 둘러싸일 수 있으며, 선택적으로 이들 사이에는 간격을 갖는다.
도시된 코일(66)은 자기장이 가스 유동에 평행하도록 촉매 주위를 축방향으로 감싸는 것에 또한 유의한다. 그러나, 개시된 시스템은 이로 제한되는 것은 아니다. 일부 실시형태에서, 코일(66)(또는 위에 언급된 바와 같은 다중 코일)은 이에 의해 발생한 자기장이 가스 유동을 가로지르도록 촉매 위에 측면으로 배치될 수 있다.
와이어 코일(66)은 일반적으로 약 5 kW 내지 50 kW 범위의 출력 전력과 약 1 kHz 내지 약 1000 kHz(예를 들어, 약 10 kHz 내지 약 500 kHz)의 주파수에서 코일에 교류 전류를 제공할 수 있는 전원(70)에 전기적으로 연결된다. 전계 강도는 본원에 기재된 기재 내의 자성 물질이 자기화될 수 있는 정도를 결정할 수 있다는 것이 주목된다. 예시된 실시형태는 본 개시내용의 단지 하나의 실시예일 뿐이라는 것을 주목하기 바란다. 대안적 실시형태에서, 코일(66)은 또한 촉매 캔(54) 또는 시스템의 다른 촉매 성분을 둘러싸는 것과 같이 다른 위치에 배치될 수 있다. 또한, 이 도면에 도시된 기술은 다양한 유형의 배출 촉매에 적용될 수 있고, 본원에 언급된 촉매의 유형(예를 들어, SCR, DOC, SCRoF, AMOx 및 기타 촉매)을 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 특정 유형의 촉매에 제한되지 않는다.
시스템(50)은 촉매(2)에 들어가는 엔진 유출 가스의 온도를 측정하도록 위치한 선택적 온도 센서(72)를 더 포함한다. 전원(70)과 온도 센서(72 및 74)는 모두 전원(70)을 제어하고 센서로부터 온도 신호를 수신하도록 구성된 제어기(76 및 78)에 작동 가능하게 연결된다. 이해될 것인 바와 같이, 제어기(76 및 78)는 제어기가 자성 물질의 유도 가열을 원할 때의 임의의 시간에 전기 코일(66)에 동력을 제공하도록 동력 공급원에 지시 사항을 제공하도록 개작된 하드웨어 및 관련 소프트웨어를 포함할 수 있다. 제어기는 엔진의 점화를 기준으로 특정 기간에서(예를 들어, 엔진 점화 이후 설정 기간 동안 자성 물질을 유도 가열하도록 개작된 제어 시스템) 또는 특정 사전 설정 시간 간격에서의 온도 센서(72 및/또는 74)와 관련된 특정 온도 설정 지점을 기준으로 하는 것과 같은 다양한 인자를 기준으로 유도 가열에 대한 기간을 선택할 수 있다.
도 8은 시스템(50)과 유사하지만 하나 초과의 유도 가열될 수 있는 촉매 물품을 사용하는 시스템(51)을 예시한다. 전기 코일(66 및 66')은 기재 내의 자성 물질을 유도 가열하기에 적합한 교류 자기장(68 및 68')을 제공하기 위해 촉매(2 및 2')를 둘러싼다. 시스템은 결합된 동력 공급원(70 및 70')을 제어하고, 해당 센서로부터 온도 신호를 수신하도록 구성된 제어기(76, 76', 78, 및 78')에 각각 작동적으로 연결되는 선택적 온도 센서(72, 72', 74, 및 74')를 포함한다. 일부 실시형태에서, 74 및 72' 대신에 단일 온도 제어기가 존재할 수 있으며, 이러한 실시형태에서, 온도 센서는 둘 모두의 동력 공급원(70 및 70')에 부착되며, 이를 제어하도록 구성될 수 있음을 유의한다.
본원에 기재된 자성 물질은 촉매 코팅(또는 코팅들)의 유도 가열이 촉매 활성을 위한 최적의 온도 범위에서 촉매 조성물을 유지하는 데 유용할 임의의 촉매 기재에 첨가될 수 있다. 목적하는 온도 범위는 촉매 유형 및 기능에 따라 달라질 것이지만, 전형적으로 약 100°C 내지 450°C, 예컨대, 약 150°C 내지 350°C의 범위일 것이다. 구체적인 예시적인 예에서, SCR 촉매는 전형적으로 유용한 SCR 활성을 촉진하기 위해 적어도 약 150ºC로 가열되는 것이 필요할 것이고; DOC 촉매는 전형적으로 유용한 CO 산화를 위해 적어도 약 120°C로 가열되는 것이 필요할 것이며; LNT는 전형적으로 NOx 저장을 위해 적어도 약 150°C 그리고 유용한 재생/NOx 환원을 위해 적어도 약 250°C로 가열되는 것이 필요하다.
비제한적 예시 실시형태:
제한 없이, 본 개시내용의 일부 실시형태는 다음을 포함한다:
1. 촉매 기재로서, a) 세라믹 물질 및 b) 자성 물질을 포함하되,
자성 물질은 인가된 교류 자기장에 응답하여 유도 가열할 수 있는, 촉매 기재.
2. 실시형태 1에 있어서, 자성 물질은 세라믹 물질 내에 함유된, 촉매 기재.
3. 실시형태 1에 있어서, 자성 물질은 세라믹 물질의 기공 내에 함유된, 촉매 기재.
4. 실시형태 1 내지 3 중 어느 하나에 있어서, 자성 물질은 전기 절연 물질을 포함하는, 촉매 기재.
5. 실시형태 1 내지 4 중 어느 하나에 있어서, 자성 물질은 하나 이상의 금속 산화물을 포함하는, 촉매 기재.
6. 실시형태 5에 있어서, 하나 이상의 금속 산화물은 전이 금속 산화물 및 희토류 금속 산화물로부터 선택되는, 촉매 기재.
7. 실시형태 6에 있어서, 하나 이상의 금속 산화물은 란타넘, 세륨, 네오디뮴, 가돌리늄, 이트륨, 프라세오디뮴, 사마리움, 하프늄, 텅스텐, 망간, 철, 코발트, 니켈, 구리, 및 아연의 산화물 중 하나 이상을 포함하는, 촉매 기재.
8. 실시형태 1 내지 7 중 어느 하나에 있어서, 자성 물질은 미립자 형태인, 촉매 기재.
9. 실시형태 1 내지 8 중 어느 하나에 있어서, 세라믹 물질은 코디어라이트, 탄화규소, 또는 알루미늄 티타네이트를 포함하는, 촉매 기재.
10. 실시형태 1 내지 9 중 어느 하나에 있어서, 자성 물질은 세라믹 물질 전체에 실질적으로 균일하게 분포되어 있는, 촉매 기재.
11. 실시형태 1 내지 9 중 어느 하나에 있어서, 자성 물질은 세라믹 물질의 특정 영역 내에 더 농축되어 있는, 촉매 기재.
12. 실시형태 1 내지 9 중 어느 하나에 있어서, 촉매 기재는 입구 단부 및 출구 단부를 포함하고, 자성 물질은 출구 단부보다 입구 단부에 더 농축되어 있거나 입구 단부보다 출구 단부에 더 농축되어 있는, 촉매 기재.
13. 실시형태 1 내지 9 중 어느 하나에 있어서, 촉매 기재는 반경방향 중심 및 반경방향 가장자리를 갖는 원통형이고, 자성 물질은 반경방향 가장자리보다 반경방향 중심에 더 농축되어 있거나, 자성 물질은 반경방향 중심보다 반경방향 가장자리에 더 농축되어 있는, 촉매 기재.
14. 실시형태 1 내지 13 중 어느 하나에 있어서, 입구 단부 및 출구 단부를 갖고, 유체 유동에 대해 개방성인 입구 단부로부터 출구 단부까지 연장된 복수의 평행한 가스 통로를 갖는 모놀리식 관류형 기재의 형태인, 촉매 기재.
15. 실시형태 1 내지 13 중 어느 하나에 있어서, 입구 및 출구 단부를 갖고, 입구 단부로부터 출구 단부까지 연장된 복수의 평행한 가스 통로를 갖는 벽 유동형 기재의 형태이고, 복수의 평행한 가스 통로의 일부는 입구 단부에서 차단되고, 출구 단부에서 개방되고, 복수의 평행한 가스 통로의 교호하는 부분은 입구 단부에서 개방되고, 출구 단부에서 차단되는, 촉매 기재.
16. 실시형태 1 내지 15 중 어느 하나의 촉매 기재 상에 촉매 워시코트를 포함하는, 촉매 물품.
17. 실시형태 16에 있어서, 촉매 워시코트는 일산화탄소의 산화, 탄화수소의 산화, NOx의 산화, NOx의 환원, 암모니아의 산화, NOx의 선택적 촉매 환원, NOx 저장/환원, 산소 저장, 그을음 연소 또는 산화, 및 물-가스-이동 중 하나 이상을 위해 개작된 촉매 물질을 포함하는, 촉매 물품.
18. 실시형태 16 또는 17에 있어서, 디젤 산화 촉매(DOC), 촉매화된 그을음 필터(CSF), 희박 NOx 트랩(LNT), 선택적 촉매 환원(SCR) 촉매, 필터 상의 SCR 촉매(SCRoF: SCR catalyst on a filter), 암모니아 산화(AMOx) 촉매, NOx 흡수체(absorber), 또는 삼원 촉매(TWC)로서의 사용을 위해 개작된, 촉매 물품.
19. 시스템으로서,
실시형태 16 내지 18 중 어느 하나의 따른 촉매 물품을 포함하되; 촉매 물품은
전류를 수신하고 이에 응답하여 교류 전자기장을 발생시키는 전도체를 포함하며,
전도체는 발생된 교류 전자기장이 자성 물질의 적어도 일부에 인가되도록 위치되는, 시스템.
20. 실시형태 19에 있어서, 상기 전도체는 촉매 물품의 적어도 일부를 둘러싼 전도성 와이어의 적어도 하나의 코일의 형태인, 시스템.
21. 실시형태 19에 있어서, 전도체에 교류 전류를 공급하기 위해서 전도체에 전기적으로 연결된 전력 공급원을 추가로 포함하는, 시스템.
22. 실시형태 19에 있어서, 촉매 물품에 유입되는 가스의 온도를 측정하도록 위치한 온도 센서 및 온도 센서와 통신하는 제어기를 추가로 포함하고, 제어기는 촉매 물질의 유도 가열이 요구될 때 제어기가 전류로 전도체에 에너지를 공급할 수 있도록 전도체에 의해서 수신되는 전류의 제어를 위해서 개작된, 시스템.
23. 내연기관으로부터 배출물을 처리하는 방법으로서,
내연기관으로부터 생성된 배기 가스를 배출물 처리 시스템으로 처리하는 단계를 포함하되, 배출물 처리 시스템은 실시형태 19 내지 22 중 어느 하나의 시스템을 포함하는, 방법.
24. 실시형태 23에 있어서, 내연 기관은 가솔린 엔진, 디젤 엔진, 하이브리드 전기 또는 천연 가스 엔진인, 방법.
실시예
개시된 발명의 요지의 양태를 추가적인 실시예를 참고로 추가로 기재할 것이다. 이들 실시예는 단지 본 개시내용의 범위 내에 속하는 가능한 무수한 실시형태를 대표할 뿐이며 본 개시를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다.
실시예 1: 관류형 기재의 활성화
대표적인 제조에서, 173 g의 니켈-아연 페라이트 분말을 248 g의 탈이온수와 합하였다. 그런 다음 분산성 산화알루미늄 21 g을 첨가하고, 생성된 현탁액을 고전단 조건 하에서 혼합하여 균질화하였다. 마지막으로, 아세트산에 용해된 30% 산화지르코늄 용액 33 g을 현탁액에 첨가하고, 모노에탄올아민을 사용하여 pH를 6.5로 조정하였다. 입자 크기 분포가 거의 11 mm인 D90을 나타낼 때까지 현탁액을 세라믹 볼 밀에서 밀링하였다. 치수 10.1 mm x 10.1 mm x 76 mm, 채널 밀도 = 300 cpsi 및 벽 두께 8 mil의 정사각형 프리즘 형상을 갖는 다공성 세라믹 허니컴 관류형 기재를 부품이 포화될 때까지 이 슬러리에 침지하였다. 부품을 슬러리에서 제거하고 과량의 슬러리를 배출하였다. 나머지 슬러리를 부품을 통해 에어 제트로 분포시켰다. 생성된 젖은 세라믹 조각을 120ºC의 공기 유동에서 건조시킨 다음 공기 중에서 550ºC에서 1시간 동안 소성하였다. 이 절차는 1.0 g/in3 기재 부피의 부품에 니켈-아연 페라이트의 공칭 로딩을 산출하였다. 침지, 건조 및 하소 절차를 5개의 서로 다른 기재 부품으로 반복하였다.
도 9a는 채널 축을 따라 본 단면에서 생성된 활성화된 기재의 저배율 SEM 영상을 도시한다. 회색 영역은 세라믹 기재이고, 밝은 영역은 니켈-아연 페라이트의 위치를 나타낸다. 저배율 영상은 니켈-아연 페라이트의 적어도 일부가 다공성 기재의 표면, 특히 채널의 코너에 존재함을 나타낸다. 도 9b는 또한 채널 축을 따라 본 활성화된 기재의 고배율 SEM 영상을 나타낸다. 이 영상은 니켈-아연 페라이트의 상당 부분이 채널 벽의 내부 공극 공간으로 침투했음을 나타낸다.
실시예 2: 필터 기재의 활성화
실시예 1에서 제조된 슬러리를 또한 사용하여 "필터 모드"에서 세라믹 기재를 활성화시켰다. 이는 교호하는 채널이 세라믹 기재의 입구 단부에서 세라믹 페이스트로 막혀 있음을 의미한다. 나머지 완전히 개방된 채널을 출구 단부에서 세라믹 페이스트로 막았다. 이 구성에서, 기재의 한쪽 단부에서 다른 쪽 단부로의 유일한 유동 통로는 채널 벽의 기공을 통과한다. 치수 10.1 mm x 10.1 mm x 114 mm, 채널 밀도 300 cpsi 및 벽 두께 8 mil의 정사각형 프리즘 형상을 갖는 이러한 유형의 세라믹 허니컴 기재를 부품이 포화될 때까지 이 슬러리에 침지하였다. 부품을 슬러리에서 제거하고 과량의 슬러리를 배출하였다. 나머지 슬러리를 부품을 통해 에어 제트로 분포시켰다. 생성된 젖은 세라믹 조각을 120ºC의 공기 유동에서 건조시킨 다음 공기 중에서 550ºC에서 1시간 동안 소성하였다. 이 절차는 1.0 g/in3 기재 부피의 부품에 니켈-아연 페라이트의 공칭 로딩을 산출하였다. 침지, 건조 및 하소 절차를 5개의 서로 다른 기재 부품으로 반복하였다.
도 10a는 채널 축을 따라 본 단면에서 생성된 활성화된 기재의 저배율 SEM 영상을 도시한다. 회색 영역은 세라믹 기재이고, 밝은 영역은 니켈-아연 페라이트의 위치를 나타낸다. 저배율 영상은 니켈-아연 페라이트의 적어도 일부가 다공성 기재의 표면, 특히 필터 기재의 입구 채널에 존재함을 나타낸다. 도 10b는 또한 채널 축을 따라 본 활성화된 기재의 고배율 SEM 영상을 나타낸다. 이 영상은 니켈-아연 페라이트의 상당 부분이 마찬가지로 채널 벽의 내부 공극 공간으로 침투했음을 나타낸다.
자성 유도 가열에 대한 활성화된 세라믹 기재의 평가.
실시예 1 및 실시예 2에서 제조된 활성화된 기재의 각각의 세트로부터의 샘플을 선택하고 25 mm 길이로 절단하였다. 25 mm 길이의 단편을 유연한 세라믹 테이프로 감싸 매트를 형성하고 25 mm OD 유리관에 삽입하였다. 유리관 어셈블리를 OD가 33 mm인 10 게이지 와이어 코어 내부에 장착하였다. 코일은 길이가 44 mm이고 완전히 7번 감긴 와이어가 포함되어 있었다. 유도 가열 코일의 작동을 위해 설계된 AC 전원 공급 장치를 사용하여 53 kHz에서 진동하는 26 V(피크)의 AC 전위를 인가하였다. 세라믹 샘플을 코일 축을 따라 중심에 놓았다. 2개의 얇은 K형 열전쌍을 도 11에서 TC1 및 TC2로 표시된 위치에서 기재 채널에 삽입하였다. 열전쌍을 종 방향으로 채널 중앙에 위치시켰다. 코일을 가로지르는 AC 전위의 인가는 도 11에 도시된 바와 같이 TC1 및 TC2에서 시간에 따라 온도 증가를 제공하였다. 데이터는 관류형 모드 및 필터 모드에서 코팅된 기재에 대해 온도 증가율이 사실상 동일함을 나타낸다. 부품의 가장자리(TC2)에 배치된 열전쌍은 중앙(TC1)보다 다소 낮은 온도를 나타내지만, 가열은 일반적으로 부품 외면 전체에서 균일하게 나타난다. 이것은 도 12의 일련의 적외선 열 영상에서 훨씬 더 쉽게 볼 수 있는데, 이것은 실시예 2의 평가 동안 30초마다 수집된 영상이었다. 영상은 부품이 2분 동안 샘플 단면에 걸쳐 균일하게 가열된다는 것을 나타낸다. 니켈-아연 페라이트에 의한 활성화가 없는 기재로 구성된 대조군 샘플은 어느 TC 위치에서도 온도 증가를 나타내지 않았다. 이것은 자성 물질이 자성 유도에 의한 가열을 달성하기 위한 기능적 요구 사항임을 입증한다.
실시예 1 및 실시예 2에 대해 달성된 가열의 균일성은 활성 자성 입자가 세라믹 부품 전체에 분포되어 있고 각각의 입자가 독립적으로 가열된다는 사실의 결과인 것으로 이해된다. 자성 입자가 가열되는 물리적 메커니즘은 자성 히스테리시스 손실에 기초하며, 이것은 전도성 물질의 고전적인 유도 가열과 근본적으로 상이하다. 이 차이를 입증하기 위해 24 mm OD의 원통형 금속 기재를 유도 코일에 장착하였다. 상기 세라믹 부품에 사용된 것과 동일한 AC 전위의 인가는 도 13의 열 영상에 의해 도시된 바와 같이 매우 불균질한 열 프로파일을 생성하였다. 금속 기재가 또한 가열되지만 부품의 외부 테두리에서만 가열된다. 부품의 중심은 외부 테두리로부터 열 전도에 의해서만 가열될 수 있다. 이것은 AC 회로 설계에서 잘 알려진 전기적 "표피 효과"의 표현이다. 전도성 부품에 유도된 와전류에 의해 열이 발생한다는 사실을 반영하지만, 이러한 와전류는 전도체의 외부 테두리에 크게 국한된다.
개시된 본원의 발명의 요지는 특정 실시형태 및 그 응용에 의해 설명되었지만, 청구범위에 기재된 개시내용의 범위를 벗어나지 않고 당업자에 의해 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있다. 또한, 본 개시내용의 다양한 양태는 본원에 구체적으로 기술된 적용 이외의 다른 적용에 사용될 수 있다.

Claims (24)

  1. 촉매 기재(catalyst substrate)로서,
    a) 세라믹 물질 및
    b) 자성 물질을 포함하되,
    자성 물질은 인가된 교류 자기장에 응답하여 유도 가열할 수 있는, 촉매 기재.
  2. 제1항에 있어서, 상기 자성 물질은 세라믹 물질 내에 함유된, 촉매 기재.
  3. 제1항에 있어서, 상기 자성 물질은 세라믹 물질의 기공 내에 함유된, 촉매 기재.
  4. 제1항 내지 제3항 중 있어서, 상기 자성 물질은 전기 절연 물질을 포함하는, 촉매 기재.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자성 물질은 하나 이상의 금속 산화물을 포함하는, 촉매 기재.
  6. 제5항에 있어서, 상기 하나 이상의 금속 산화물은 전이 금속 산화물 및 희토류 금속 산화물로부터 선택되는, 촉매 기재.
  7. 제6항에 있어서, 상기 하나 이상의 금속 산화물은 란타넘, 세륨, 네오디뮴, 가돌리늄, 이트륨, 프라세오디뮴, 사마리움, 하프늄, 텅스텐, 망간, 철, 코발트, 니켈, 구리, 및 아연의 산화물 중 하나 이상을 포함하는, 촉매 기재.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자성 물질은 미립자 형태인, 촉매 기재.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 세라믹 물질은 코디어라이트, 탄화규소, 또는 알루미늄 티타네이트 중 하나 이상을 포함하는, 촉매 기재.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자성 물질은 세라믹 물질 전체에 실질적으로 균일하게 분포되어 있는, 촉매 기재.
  11. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자성 물질은 세라믹 물질의 특정 영역 내에 더 농축되어 있는, 촉매 기재.
  12. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 촉매 기재는 입구 단부 및 출구 단부를 포함하고, 상기 자성 물질은 출구 단부보다 입구 단부에 더 농축되어 있거나 입구 단부보다 출구 단부에 더 농축되어 있는, 촉매 기재.
  13. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 촉매 기재는 반경방향 중심 및 반경방향 가장자리를 갖는 원통형이고, 상기 자성 물질은 반경방향 가장자리보다 반경방향 중심에 더 농축되어 있거나, 상기 자성 물질은 반경방향 중심보다 반경방향 가장자리에 더 농축되어 있는, 촉매 기재.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 촉매 기재는 입구 단부 및 출구 단부를 갖고, 유체 유동에 대해 개방성인 입구 단부로부터 출구 단부까지 연장된 복수의 평행한 가스 통로를 갖는 모놀리식 관류형 기재(monolithic flow-through substrate)의 형태인, 촉매 기재.
  15. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 촉매 기재는 입구 및 출구 단부를 갖고, 입구 단부로부터 출구 단부까지 연장된 복수의 평행한 가스 통로를 갖는 벽 유동형 기재(wall-flow substrate)의 형태이고, 복수의 평행한 가스 통로의 일부는 입구 단부에서 차단되고, 출구 단부에서 개방되고, 복수의 평행한 가스 통로의 교호하는(alternate) 부분은 입구 단부에서 개방되고, 출구 단부에서 차단되는, 촉매 기재.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항의 촉매 기재 상에 촉매 워시코트를 포함하는 촉매 물품.
  17. 제16항에 있어서, 상기 촉매 워시코트는 일산화탄소의 산화, 탄화수소의 산화, NOx의 산화, NOx의 환원, 암모니아의 산화, NOx의 선택적 촉매 환원, NOx 저장/환원, 산소 저장, 그을음(soot) 연소 또는 산화, 및 물-가스-이동 중 하나 이상을 위해 개작된 촉매 물질을 포함하는, 촉매 물품.
  18. 제16항 또는 제17항에 있어서, 상기 촉매 기재는 디젤 산화 촉매(DOC: diesel oxidation catalyst), 촉매화된 그을음 필터(CSF: catalyzed soot filter), 희박 NOx 트랩(LNT: lean NOx trap), 선택적 촉매 환원(SCR: selective catalytic reduction) 촉매, 필터 상의 SCR 촉매(SCRoF: SCR catalyst on a filter), 암모니아 산화(AMOx) 촉매, NOx 흡수체(absorber), 또는 삼원 촉매(TWC: three-way catalyst)로서의 사용을 위해 개작된, 촉매 물품.
  19. 시스템으로서,
    제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 따른 촉매 물품; 및
    전류를 수신하고 이에 응답하여 교류 전자기장을 발생시키는 전도체를 포함하되, 전도체는 발생된 교류 전자기장이 자성 물질의 적어도 일부에 인가되도록 위치되는, 시스템.
  20. 제19항에 있어서, 상기 전도체는 촉매 물품의 적어도 일부를 둘러싼 전도성 와이어의 적어도 하나의 코일의 형태인, 시스템.
  21. 제19항에 있어서, 상기 전도체에 교류 전류를 공급하기 위해서 전도체에 전기적으로 연결된 전력 공급원을 추가로 포함하는, 시스템.
  22. 제19항에 있어서, 상기 촉매 물품에 유입되는 가스의 온도를 측정하도록 위치된 온도 센서 및 상기 온도 센서와 통신하는 제어기를 추가로 포함하며, 제어기는 전도체에 의해 수신된 전류를 제어하고, 제어기는 촉매 기재의 유도 가열이 요구될 때 전류로 전도체에 에너지를 공급하는, 시스템.
  23. 내연기관으로부터 배출물을 처리하는 방법으로서,
    내연기관으로부터 생성된 배기 가스를 배출물 처리 시스템으로 처리하는 단계를 포함하되, 배출물 처리 시스템은 제19항 내지 제22항 중 어느 한 항의 시스템을 포함하는, 방법.
  24. 제23항에 있어서, 상기 내연기관은 가솔린 엔진, 디젤 엔진, 하이브리드 전기 또는 천연 가스 엔진인, 방법.
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