[发明专利]使用混合催化颗粒的三效催化转化器

说明书

相关申请的交叉引用

本申请主张2014年7月29日提交的美国临时专利申请号62/030,557以及在2014年9月23日提交的美国临时专利申请号62/054,251的优先权。因此在本文中将所述申请的全部内容作为参考引入。

本发明的技术领域

本发明公开内容涉及催化剂、用于气体处理的包括纳米颗粒基材及其制备方法的领域。更具体而言，本发明公开内容涉及用于三效催化转化器的包括纳米材料的基材。

发明背景

汽车废气常含有环境及生物上有害的组分，包括烃，一氧化碳和氮氧化物。这些组分中部分来自汽油或其它染料的不完全燃烧。这些组分常在发动机的高温环境下形成。

催化转化器用于将这些环境和生物上有害的组分转化为环境上有害性很小或没有的组分，如二氧化碳，水，氮气和氧气。催化转化器通常包括涂覆有含催化剂洗涂层的催化转化器核。催化转化器核通常包括提供大的表面积以负载催化剂的栅格排列(grid array)结构。所述洗涂层通常含有硅和铝，其为活性贵金属催化剂提供了甚至更大的表面积。活性贵金属催化剂常包括铂、钯和铑。也可将也具有催化活性的其它金属用作催化剂，如铈、铁、锰和镍。

通常可获得两种类型的催化转化器，两效和三效催化转化器。三效催化转化器广泛用于汽油发动机以减少烃，一氧化碳和氮氧化物的排放。在活性催化剂的帮助下，将一氧化碳和烃氧化并转化为二氧化碳，使氮氧化物减少并转化为氮气，如下文方程所示：

2CO+O₂→2CO₂

C_xH_2x+2+[(3x+1)/2]O₂→xCO₂+(x+1)H₂O

2NO+2CO→2CO₂+N₂

C_xH_2x+2+NO→xCO₂+H₂O+N₂

传统上，三效催化转化器通过分别使氧化贵金属，如铂或钯与氧化铝，水和其它组分混合以在一个容器中制造浆料，以及使还原贵金属，如铑与氧化铈锆，水和其它组分混合以在第二个容器中制造第二浆料而制备。浆料通常被称作氧化和还原洗涂料。将可为圆柱形，具有栅格排列结构的陶瓷单块(monolith)浸入其中一个洗涂料以在陶瓷单块上形成第一催化层。在干燥并煅烧之后，将陶瓷单块浸入另一洗涂料以在陶瓷单块上形成第二层。将包括两个洗涂层的陶瓷单块置入催化转化器的壳中，将壳连接至发动机以处理废气。

通过传统方法制备的催化转化器具有各种缺陷。一个主要问题为由于暴露在高温废气下，传统催化剂随着时间老化。在正常操作期间，在通常的汽油发动机催化转化器中的温度可达到500-600℃，或在某些情况下甚至更高。这些高温使洗涂层中贵金属纳米颗粒流动性增加，这导致这些颗粒在其氧化物载体上移动。当贵金属纳米颗粒在其移动时相遇，它们可烧结或聚集为较大的金属颗粒，这种现象已知为“老化”。该老化现象导致可获得的贵金属反应表面损失。因此，通过老化催化转化器的有效性降低，起燃温度开始升高以及排放水平开始升高。

老化现象在使用三效催化转化器的汽油发动机中甚至比在可使用两效催化转化器的柴油发动机中更为严重。这是因为汽油废气的排气温度高于柴油废气的温度。此外，三效催化转化器必须既处理氧化催化剂还处理还原催化剂两者的老化。为消除这些老化效应，催化转化器制造商可增加起始存在于催化转化器中的贵金属颗粒的量。然而，增加转化器中贵金属的量既昂贵又浪费。

因此，需要制备三效活性催化材料的更好的材料和方法。改进的三效催化剂的实例公开在共有的美国专利申请公开号2014/0140909和以WO 2014/081826公开的国际专利申请中。本申请描述了改进的三效催化剂的额外实施方案。

发明概述

所描述的是用于三效催化转化器的涂覆基材。涂覆基材减少了困扰常用三效催化转化器的老化现象的速度。这使得使用这些基材的三效催化转化器的氧化和还原活性在暴露于汽油废气的高温环境下时均可保持稳定。

如本文所述，催化活性的氧化和还原颗粒的迁移率降低。这意味着在所述洗涂层混合物中的贵金属烧结或聚集为较大金属颗粒的可能性更低且随着老化催化活性降低的可能性更低。这些改进导致在催化转化器和汽车使用期内释放至环境的污染减少和/或用于制备有效的催化转化器的贵金属氧化和还原催化剂的量降低。