[发明专利]汽车脱NOx催化剂

说明书

发明领域

本发明涉及用于还原来自燃烧过程的排气和废气中的NO_x化合物的催化剂。更详细地讲，本发明涉及用于选择性催化还原(SCR)方法的负载在独特多孔金属氧化物载体材料上的金属氧化物催化剂。

发明背景

在燃烧化石燃料产生能量时，通常使用在空气存在下的高温燃烧方法。遗憾的是，这类方法产生众所周知的污染物氮氧化物(NO_x)和诸如一氧化碳和未燃烃的对健康或环境有害的其它组分。因此，重要的是在释放到环境中之前除去这些物质。

已有许多针对允许除去这些物质的方法的研究。已知的两种方法是燃烧改进和吸附技术。遗憾的是，这些方法中的每一种都具有缺点。前者仅允许有限的最大程度除去NO_x，且后者具有有限的容量。

解决有毒排气问题的第三方法是催化去除，比较起来，其在除去大比例的不必要的排气组分方面极其有效且能够长时间处理非常大体积的出口气体。为了通过催化还原方法实现排气中NO_x的还原，需要引入诸如氨的还原剂和/或使用废气排出物中存在的未燃烃。

选择性催化还原(SCR)方法由在氧气和催化剂存在下使用氨作为还原剂来还原NO_x(NO、N₂O和NO₂)物质以产生氮气和水组成。SCR方法在美国、日本和欧洲广泛用以减少大型电站锅炉和其它商业应用的排放。SCR方法逐渐用于减少诸如大型柴油发动机(如船舶、柴油机车、汽车等上见到的发动机)的移动应用中的排放。

多种催化剂已经用于SCR方法中。发现使用铂或铂族金属的初始催化剂不能令人满意，因为需要在会形成爆炸性硝酸铵的温度范围内操作。响应日本环境保护法规，研发了第一钒/钛SCR催化剂，经证明它是非常成功的。进一步的研发使得研发出了沉积在氧化钛/氧化钨载体材料上的钒催化剂。

虽然负载在氧化钛/氧化钨上的钒催化剂提供优良的性能，但是氧化钒的潜在毒性导致关于使用SCR催化剂用于汽车应用的健康关注。目前还没有媲美负载在氧化钨/氧化钛上的高性能五氧化二钒催化剂的性能的供选物。

提出的一种供选的催化剂技术是负载在沸石上的过渡金属，诸如由Exxon-Mobile出售的在商品名称ZSM-5^TM下的产品。这类催化剂例如描述在美国专利公开案2006/0029355号、欧洲专利申请公开案EP299294 A2号、欧洲专利EP 738179 B1号和国际申请公开案WO2004/022229 A1号中。然而，该技术受到高成本的沸石催化剂限制，其可比相当的氧化钛负载型催化剂贵10倍以上。

许多公开案描述了作为NO_x还原催化剂的各种混合氧化物催化剂系统。例如，Nennenmacher等的美国专利3,279,884号描述了经V₂O₅、WO₃、MoO₃的催化金属氧化物或其混合物除去含氧物流中的NO_x。

Matsushita等的美国专利4,048,112号描述了在锐钛矿氧化钛上的五氧化二钒作为有效NO_x去除催化剂的用途。

Nakajima等的美国专利4,085,193号描述可通过将V₂O₅、WO₃、MoO₃或其混合物负载在二氧化钛上得到的性能改进的NO_x催化剂。

Inoue等的美国专利4,221,768号描述了包含TiO₂-SiO₂或TiO₂-ZrO₂-SiO₂的混合氧化物的NO_x催化剂且确定了金属氧化物载体的固有酸性。所述专利还描述了Mn、Ce、Fe、Zr、Si和Ti在脱NO_x催化剂组合物中的用途。

Imanari等的美国专利4,833,113号描述了改进的脱NO_x催化剂，其包含钛氧化物、钨氧化物和钒氧化物，且具有表面积为80-200m²/g且孔容为0.1-0.5mL/g的载体。

Hirakawa等的日本专利公告JP 2003/093880描述了包含复合氧化物的催化剂，其通过中和可溶性钛化合物、可溶性硅化合物且进一步加入可溶性钨化合物和钒、钼和钨的至少一种氧化物来获得。