[发明专利]净化废气的催化剂装置和净化废气的方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于净化汽车所排放废气的催化剂装置和使用该催化剂装置净化废气的方法，特别涉及适合作为三元催化剂(TWC)装置用于净化汽油汽车所排放的废气中的一氧化碳(CO)、烃(HC)和氮氧化物(NO_x)的净化废气的催化剂装置以及净化废气的方法。

背景技术

对应于其目的，已将各种催化剂用于净化汽车等内燃机所排放废气的催化剂装置中。作为其主要的催化剂组分，有铂族金属，其通常以高度分散状态负载在具有高表面积的耐火性无机氧化物(如活性氧化铝)上进行使用(参见专利文件1)。

至于作为催化剂组分的铂族金属，铂(Pt)、钯(Pd)和铑(Rh)是已知的，其被广泛用作净化汽车等内燃机所排放废气的催化剂。在上述TWC中，在氧化活性方面出众的催化活性物质如Pt和Pd，与在NO_x的净化活性方面出众的Rh在许多情况下组合使用。近年来，对于有害物质(特别是废气中包含的NO_x)的管制的严厉性日益提高。因此，需要有效使用在NO_x的净化活性方面出众的Rh。此外，Rh的产量低，价格高且其市场价格近年来一直上升。因此，考虑到资源保护或成本方面，优选减少Rh作为催化活性物质的使用量。

此外，在用于净化废气的催化剂中，已经研究在净化废气的催化剂中添加除铂族金属之外的各种助催化剂组分，以获得进一步提高的净化性能。作为这样的助催化剂组分，已知有储氧组分(OSC)、碱土金属、氧化锆、沸石等。

其中，OSC用于在废气中储存和放出氧，已知的有氧化铈。当废气中的氧浓度高时，氧化铈储存氧成为CeO₂，而当氧浓度低时通过转化为Ce₂O₃放出氧。放出的氧是活性氧并通过Pt或Pd的氧化作用而促进HC或CO的净化。此外，通过储存和放出氧，OSC还用于缓冲废气中的氧浓度变化。通过这种作用，在TWC中提高废气的净化性能。TWC通过一种催化剂进行氧化和还原，并在设计方面具有适于净化的废气组分范围。该范围在许多情况下取决于空/燃比。这样的范围被称作窗口，在许多情况下，在临近理论空/燃比时燃烧的废气被设定为窗口区。通过废气中氧浓度变化的缓冲可长期维持该窗口区并有效进行废气的净化。据报道这尤其对通过Rh进行的NOx净化性能有影响。

作为这样的氧化铈，也可使用纯的氧化铈，然而，其作为与锆的复合氧化物使用(参见专利文件2)。铈-锆复合氧化物具有高耐热性，并据报道具有高的氧储存和放出速率。认为其原因是铈-锆复合氧化物的晶体结构稳定，因此作为主要OSC组分的氧化铈的作用不被妨碍，并且甚至可以在颗粒内部利用作为OSC的作用。

在该用Rh的NO_x净化中，认为通过Rh组分而如下促进蒸汽重整反应。

HC+H₂O-----------→COx+H₂  ---(1)

H₂+NOx---------→N₂+H₂O  ---(2)

并且，据报道氧化锆通过与Rh组分一起使用而促进蒸汽重整反应(参见专利文件3)。

除此之外，作为助催化剂组分，已知有碱土金属如Ba组分(参见专利文件4)。Ba组分暂时储存废气中所含的NO_x，并通过废气中所含的还原组分还原成N₂而净化储存的NO_x。

一般而言，当供应至发动机的燃料量少而空气量多时，产生大量NO_x。Ba组分暂时吸收以该方式产生的NO_x。

当废气中的NO_x浓度低且CO浓度变高时，由Ba组分吸收的NO_x从Ba组分中放出。上述实例得以持续是源于Ba(NO₃)₂与CO反应变成BaCO₃并可称为化学平衡。如上所述，从Ba组分放出的NOx在Rh组分表面与还原组分反应而被还原净化。