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EP2958660A1 - Katalysator und verfahren zur reduktion von stickoxiden - Google Patents

Katalysator und verfahren zur reduktion von stickoxiden

Info

Publication number
EP2958660A1
EP2958660A1 EP14706538.7A EP14706538A EP2958660A1 EP 2958660 A1 EP2958660 A1 EP 2958660A1 EP 14706538 A EP14706538 A EP 14706538A EP 2958660 A1 EP2958660 A1 EP 2958660A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
washcoat
washcoat layer
platinum
storage catalyst
amount
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP14706538.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ruediger Hoyer
Anke Schuler
Thomas UTSCHIG
Elena Mueller
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Umicore AG and Co KG
Original Assignee
Umicore AG and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Umicore AG and Co KG filed Critical Umicore AG and Co KG
Priority to EP14706538.7A priority Critical patent/EP2958660A1/de
Publication of EP2958660A1 publication Critical patent/EP2958660A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/92—Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases
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    • B01D53/9404—Removing only nitrogen compounds
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    • B01D53/9468—Removing one or more of nitrogen oxides, carbon monoxide, or hydrocarbons by multiple successive catalytic functions; systems with more than one different function, e.g. zone coated catalysts with catalysts positioned on one brick in different layers
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    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
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    • F01N3/0814—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by using absorbents or adsorbents combined with catalytic converters, e.g. NOx absorption/storage reduction catalysts
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    • B01D2255/911—NH3-storage component incorporated in the catalyst
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2523/00—Constitutive chemical elements of heterogeneous catalysts

Definitions

  • the present invention relates to a catalyst for the reduction of nitrogen oxides, which is contained in the exhaust lean burned internal combustion engines.
  • the exhaust of motor vehicles which are operated with lean-burn internal combustion engines, for example with diesel engines, in addition to carbon monoxide (CO) and nitrogen oxides (NO x ) also contains components resulting from the incomplete combustion of the fuel in the combustion chamber of the cylinder.
  • HC residual hydrocarbons
  • Diesel soot or “soot particles”.
  • Diesel soot particles particulate emissions
  • These are complex agglomerates of predominantly carbon-containing solid particles and an adhering liquid phase, which mostly consists of relatively long-chain hydrocarbon condensates.
  • the liquid phase adhering to the solid components is also referred to as "Soluble Organic Fraction SOF” or “Volatile Organic Fraction VOF".
  • nitrogen oxide storage catalysts for which the term “lean NOx trap” or LNT is customary, are known, whose cleaning effect is based on the fact that in a lean phase of operation of the engine, the nitrogen oxides from the storage material of the
  • Storage catalytic converter are stored mainly in the form of nitrates and this decomposes again in a subsequent rich phase of operation of the engine and the thus released nitrogen oxides with the reducing
  • Exhaust gas components are converted to the storage catalyst to nitrogen, carbon dioxide and water. This procedure is described for example in SAE SAE 950809.
  • Suitable storage materials are, in particular, oxides, carbonates or hydroxides of magnesium, calcium, strontium, barium, the alkali metals, the rare earth metals or mixtures thereof. Due to their basic properties, these compounds are able to form nitrates with the acidic nitrogen oxides of the exhaust gas and produce them in this way
  • nitrogen oxide storage catalysts generally contain noble metals such as platinum, palladium and / or rhodium as catalytically active components. Their task is, on the one hand, to oxidise NO to NO 2, CO and HC to CO 2 under lean conditions and, on the other hand, to reduce released NO 2 to nitrogen during the rich operating phases in which the nitrogen oxide storage catalyst is regenerated.
  • EP 0 885 650 A2 describes an exhaust gas purification catalyst for internal combustion engines with two catalytically active layers on a support body.
  • the layer located on the support body comprises one or more highly dispersed alkaline earth oxides, at least one platinum group metal, as well as at least one finely divided, oxygen-storing material.
  • the platinum group metals are in close contact with all components of the first layer.
  • the second layer is in direct contact with the exhaust gas and contains at least one platinum group metal, as well as at least a finely divided, oxygen-storing material. Only a part of
  • finely divided solids of the second layer serves as a carrier for the
  • the catalyst is a three-way catalyst that removes the harmful exhaust gas components substantially at stoichiometric conditions, ie. at the air ratio ⁇ of 1.
  • a nitrogen oxide storage catalyst which comprises two superimposed catalyst layers on a carrier substrate.
  • the lower layer lying directly on the carrier substrate comprises one or more noble metals, as well as one or more nitrogen oxide storage components.
  • the upper layer comprises one or more
  • Precious metals, as well as cerium oxide and is free of alkali or alkaline earth components Catalyst substrates containing nitrogen oxide storage materials and having two or more layers are also described in WO 2012/029050.
  • the first layer is directly on the carrier substrate and comprises platinum and / or palladium, while the second layer is on the first and comprises platinum.
  • Both layers also contain one or more oxygen storage materials and one or more nitric oxide storage materials comprising one or more alkali and / or alkaline earth metals.
  • the total amount of alkali and alkaline earth metal in the nitrogen oxide storage materials is 0.18 to 2.5 g / in 3 calculated as alkali metal oxide M 2 O and alkaline earth metal oxide MO.
  • the present invention relates to a nitrogen oxide storage catalyst comprising at least two catalytically active washcoat layers on one
  • washcoat layer B which is disposed above the washcoat layer A, contains cerium oxide, as well as platinum and / or palladium and no alkaline earth metal compound
  • washcoat layer B is present in an amount of 50 to 200 g / l, based on the volume of the support body, and the minimum mass fraction in% of cerium oxide in the washcoat layer B is of the formula
  • washcoat layers A and B can be any cerium oxide used in washcoat layers A and B.
  • cerium oxide is used in the washcoat layer A in an amount of 30 to 120 g / l, in particular 30 to 80 g / l.
  • washcoat B the minimum mass fraction in% of cerium oxide calculated according to the above formula.
  • amount of washcoat B in g / l in this formula means the dimensionless number which corresponds to the amount of washcoat layer B stated in g / l.
  • Mass fraction of cerium oxide in the washcoat B at least 50%, which, depending on the total load of Washcoat caring B amounts of at least 25 to 100 g / l, based on the volume of the support body corresponds.
  • the washcoat layer B is present in an amount of 75 to 150 g / l, based on the volume of the support body. Accordingly, in this case, the cerium oxide amounts at least 28.1 to 67.5 g / l, each based on the volume of the support body.
  • the washcoat layer B is present in an amount of 80 to 130 g / l, based on the volume of the support body. Accordingly, in this case, the cerium oxide amounts to at least 30.4 to 55.9 g / l, each based on the volume of the support body.
  • washcoat B The upper limit of the amount of ceria contained in washcoat B results from the maximum washcoat loading of 200 g / l less the
  • Washcoat B except cerium oxide, precious metal and support materials for the
  • the maximum amount of cerium oxide, which may be contained in washcoat B, can thus be calculated in a simple manner.
  • Washcoat layer B not only no alkaline earth compound, but also no alkali compound.
  • the washcoat A contains platinum or platinum and palladium. in the
  • the ratio of platinum to palladium is 1: 2 to 20: 1, in particular 1: 1 to 10: 1, for example 1: 1, 2: 1, 4: 1 and 10: 1.
  • the washcoat layer B contains platinum or palladium, in preferred embodiment
  • Embodiments of the present invention include platinum or platinum and palladium.
  • the ratio is platinum to Palladium 1: 2 to 20: 1, in particular 1: 1 to 10: 1, for example 1: 1, 2: 1,
  • Washcoat A and / or Washcoat B as another noble metal rhodium.
  • Rhodium is in this case, in particular in amounts of 0.1 to 10 g / ft 3 (equivalent to 0.003 to 0.35 g / l), based on the volume of the support body before.
  • the noble metals platinum and / or palladium and optionally rhodium are usually present on suitable support materials.
  • high surface area, high melting oxides are used, for example
  • Aluminum oxide silicon dioxide, titanium dioxide, but also mixed oxides such as cerium-zirconium mixed oxides.
  • alumina is used as support material for the noble metals, in particular those stabilized by 1 to 6 wt.%, In particular 4 wt.%, Lanthanum oxide. It is preferred if the noble metals platinum, palladium or rhodium are supported only on one or more of the abovementioned carrier materials and thus not with all components of the respective
  • Suitable alkaline earth compounds in the washcoat A are, in particular, oxides, carbonates or hydroxides of strontium and barium, in particular barium oxide and strontium oxide.
  • Suitable alkali compounds in the washcoat A are, in particular, oxides, carbonates or hydroxides of lithium, potassium and sodium.
  • the alkaline earth or, alkali compound is present in amounts of 10 to 50 g / l, especially 15 to 20 g / l, calculated as alkaline earth or alkali oxide.
  • the present invention relates to a nitrogen oxide storage catalyst comprising at least two catalytically active washcoat layers on a support body,
  • o cerium oxide in an amount of 30 to 80 g / l
  • o barium oxide contains and
  • an upper washcoat layer B is disposed over the lower washcoat layer A and
  • Washcoat caring B is present in amounts of 80 to 130 g / l and wherein the quantity g / l each on the volume of
  • the application of the catalytically active Waschcoattiken A and B on the support body is carried out by the usual dip coating process or pump and suction coating method with subsequent thermal treatment (calcination and optionally reduction with forming gas or hydrogen). These methods are well known in the art.
  • the nitrogen oxide storage catalysts according to the invention are outstandingly suitable for the conversion of NO x in exhaust gases from
  • the nitrogen oxide storage catalysts according to the invention are thus suitable for Euro 6 applications.
  • the present invention thus also relates to a method for
  • washcoat layer B is present in an amount of 50 to 200 g / l, based on the volume of the carrier body, and the minimum mass fraction of cerium oxide in% in the washcoat layer B is of the formula
  • Nitrogen storage catalyst correspond to the above
  • Figure 1 NOx conversion of the catalysts Kl, VK1A as a function of temperature.
  • FIG. 2 NOx conversion of the catalysts K2 and VK2A as a function of the temperature.
  • Figure 3 Stored NOx mass in the first 800s of a NEDC drive cycle based on the catalyst volume as a function of the Washcoatbeladung the upper Washcoat caring B and the ceria mass fraction in the
  • the loading of Pt and Pd is 50 g / cft (1.776 g / l) and 5 g / cft (0.177 g / l) and the total loading of the
  • washcoat 181 g / l based on the volume of the ceramic support.
  • another washcoat layer B is applied which also contains Pt and Pd as well as Rh supported on a lanthanum stabilized alumina.
  • the loading of Pt, Pd and Rh in this washcoat layer is 50 g / cft (1.776 g / l), 5 g / cft (0.177 g / l) and 5 g / cft (0.177 g / l).
  • the washcoat layer B also contains 93 g / L of cerium oxide with a layer B washcoat loading of 181 g / L.
  • the catalyst thus obtained is hereinafter called Kl.
  • Comparative examples la to lc differ from Example 1 in that the amounts of cerium oxide in washcoat A and B are varied at a constant total ceria amount of 140 g / l and constant washcoat loading of the washcoat A and B.
  • the cerium oxide distribution Comparative Examples la to le are shown in Table 1 below.
  • the catalysts thus obtained are hereinafter called VK1A, VK1B and VK1C, respectively.
  • Example 2 differs from the preceding examples in that the lower washcoat layer A has a washcoat loading of 300 g / l and a cerium oxide amount of 116 g / l. In contrast, the upper
  • Washcoat B has a washcoat loading of 62 g / l and a ceria loading of 24 g / l. This corresponds to a cerium oxide content in the
  • Comparative Examples 2a to 2c differ from Example 2 in that washcoat loadings of the washcoat layers A and B are varied, with the total washcoat loadings of both layers being constant at 362 g / l. Similarly, the ceria content in the washcoat layer B is constant at 39% and the total amount of cerium oxide is constant at 140 g / l based on the catalyst volume.
  • the washcoat loadings of the washcoat layer B and the amounts of cerium oxide in the washcoat layers A and B are shown in Table 1 below.
  • Example 3 differs from the previous examples in that lower washcoat A has a washcoat loading of 235 g / L and a cerium oxide amount of 65 g / L. In contrast, the upper
  • Washcoat B has a washcoat loading of 127 g / L and a ceria loading of 75 g / L. This corresponds to a cerium oxide content in the
  • the catalyst thus obtained is hereinafter called K2.
  • Example Catalyst 1 has two washcoat layers, the first layer having a washcoat loading of 1.7 g / in 3 (104 g / L) and the second layer having a washcoat loading of 2.6 g / in 3 (159 g / L) , The amount of ceria in the second washcoat layer is not clear.
  • the NOx conversion of the catalyst K2 according to the invention and the comparison catalyst VK2A is from the temperature before
  • Table 1 shows the summary of all catalysts.
  • the amount of NOx stored relative to catalyst volume is shown in the first 800 seconds of a NEDC drive cycle.
  • the exhaust gas of a typical Euro 6 diesel engine is simulated in a model gas reactor and passed over the catalyst sample.
  • the first 800s of the NEDC cycle show the NOx storage behavior at temperatures ⁇ 200 ° C. In order to meet the Euro 6 emissions standard, it is particularly important to show a high NOx storage capacity in this area.
  • the values for the stored NOx mass in Table 1 show that only in the
  • FIG. 3 shows the relationship between the amount of NOx stored in the first 800 seconds of a NEDC driving cycle
  • a further catalyst according to the invention is obtained if, starting from catalyst K2 of Example 2, a quantity of cerium oxide in the washcoat layer B of 40 g / l is selected. This corresponds to a cerium oxide content in the washcoat layer B of 64.5%.
  • Example 5
  • a further catalyst according to the invention is obtained if, starting from catalyst K1 of example 1, a quantity of cerium oxide in the washcoat B of 145 g / l is selected. This corresponds to a cerium oxide content in the washcoat layer B of 80%.
  • a honeycomb-shaped ceramic support is coated with a first washcoat A comprising Pt and Pd in combination with a magnesium-aluminum mixed oxide, cerium oxide in an amount of 160 g / l, and 18 g / l
  • Barium oxide contains.
  • the loading of Pt and Pd is 60 g / cft (2.119 g / l) and 6 g / cft (0.212 g / l) and the total loading of the
  • Washcoat layer 258 g / l based on the volume of the ceramic carrier.
  • another washcoat layer B containing Pt and Pd and Rh supported on a lanthanum stabilized alumina.
  • the loading of Pt, Pd and Rh in this washcoat layer is 20 g / cft (0.706 g / l), 10 g / cft (0.353 g / l) and 5 g / cft (0.177 g / l).
  • the washcoat layer B also contains 55 g / l of cerium oxide with a layer B washcoat loading of 100 g / l.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stickoxid-Speicherkatalysator aus mindestens zwei katalytisch aktiven Washcoatschichten auf einem Tragköper, wobei eine untere Washcoatschicht (A) Ceroxid, eine Erdalkaliverbindung und/oder Alkaliverbindung, sowie Platin enthält und eine obere Washcoatschicht (B), die über der Washcoatschicht A angeordnet ist, Ceroxid, Platin und/oder Palladium und keine Erdalkaliverbindung enthält, sowie ein Verfahren zur Konvertierung von NOx in Abgasen von Kraftfahrzeugen, die mit mager betriebenen Motoren, betrieben werden.

Description

KATALYSATOR UND VERFAHREN ZUR REDUKTION VON STICKOXIDEN
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Katalysator zur Reduktion von Stickoxiden, das im Abgas mager betriebener Verbrennungsmotoren enthalten ist.
Das Abgas von Kraftfahrzeugen, die mit mager betriebenen Verbrennungsmotoren, beispielsweise mit Dieselmotoren, betrieben werden, enthält neben Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxiden (NOx) auch Bestandteile, die aus der unvollständigen Verbrennung des Kraftstoffs im Brennraum des Zylinders herrühren . Dazu gehören neben Rest-Kohlenwasserstoffen (HC), die meist ebenfalls überwiegend gasförmig vorliegen, Partikelemissionen, auch als„Dieselruß" oder„Russpartikel" bezeichnet. Dabei handelt es sich um komplexe Agglomerate aus überwiegend Kohlenstoff-haltigen Feststoff- Teilchen und einer anhaftenden Flüssigphase, die meist mehrheitlich aus längerkettigen Kohlenwasserstoff-Kondensaten besteht. Die auf den festen Bestandteilen anhaftende Flüssigphase wird auch als„Soluble Organic Fraction SOF" oder„Volatile Organic Fraction VOF" bezeichnet. Zur Reinigung dieser Abgase müssen die genannten Bestandteile möglichst vollständig in unschädliche Verbindungen umgewandelt werden, was nur unter Einsatz geeigneter Katalysatoren möglich ist.
Zur Entfernung der Stickoxide sind sogenannte Stickoxid-Speicher- katalysatoren, für die auch der Begriff„Lean NOx Trap" oder LNT üblich ist, bekannt. Deren Reinigungswirkung beruht darauf, dass in einer mageren Betriebsphase des Motors die Stickoxide vom Speichermaterial des
Speicherkatalysators vorwiegend in Form von Nitraten gespeichert werden und diese in einer darauf folgenden fetten Betriebsphase des Motors wieder zersetzt und die so freiwerdenden Stickoxide mit den reduzierenden
Abgasanteilen am Speicherkatalysator zu Stickstoff, Kohlendioxid und Wasser umgesetzt werden. Diese Arbeitsweise ist beispielsweise in der SAE- Schrift SAE 950809 beschrieben. Als Speichermaterialien kommen insbesondere Oxide, Carbonate oder Hydroxide von Magnesium, Calcium, Strontium, Barium, der Alkalimetalle, der Seltenerdmetalle oder Mischungen davon in Frage. Diese Verbindungen sind aufgrund ihrer basischen Eigenschaften in der Lage, mit den sauren Stickoxiden des Abgases Nitrate zu bilden und sie auf diese Weise
abzuspeichern. Sie sind zur Erzeugung einer großen Wechselwirkungsfläche mit dem Abgas in möglichst hoher Dispersion auf geeigneten
Trägermaterialien abgeschieden. Stickoxid-Speicherkatalysatoren enthalten darüber hinaus in der Regel Edelmetalle wie Platin, Palladium und/oder Rhodium als katalytisch aktive Komponenten. Deren Aufgabe ist es einerseits, unter mageren Bedingungen NO zu NO2, sowie CO und HC zu CO2 zu oxidieren und andererseits während der fetten Betriebsphasen, in denen der Stickoxid-Speicherkatalysator regeneriert wird, freigesetztes NO2 zu Stickstoff zu reduzieren.
Mit der Veränderung der Abgasgesetzgebung nach Euro 6 werden
zukünftige Abgassysteme sowohl bei kalten Temperaturen im Stadtzyklus, als auch bei hohen Temperaturen, wie sie bei hohen Lasten auftreten, ausreichende NOx-Konvertierung aufweisen müssen. Bekannte Stickoxid- Speicherkatalysatoren zeigen aber entweder eine ausgeprägte NOx-
Speicherung bei niedrigen oder bei hohen Temperaturen. Eine gute NOx- Konvertierung über einen breiten Temperaturbereich von 200 bis 450°C, die zur Erfüllung künftiger Abgasgesetzgebung unerlässlich ist, kann bisher nicht erreicht werden.
Die EP 0 885 650 A2 beschreibt einen Abgasreinigungskatalysator für Verbrennungsmotoren mit zwei katalytisch aktiven Schichten auf einem Tragkörper. Die auf dem Tragkörper befindliche Schicht umfasst ein oder mehrere hochdisperse Erdalkalioxide, mindestens ein Platingruppenmetall, sowie wenigstens ein feinteiliges, Sauerstoff speicherndes Material. Dabei stehen die Platingruppenmetalle mit allen Bestandteilen der ersten Schicht in enger Berührung. Die zweite Schicht steht mit dem Abgas in direktem Kontakt und enthält mindestens ein Platingruppenmetall, sowie wenigstens ein feinteiliges, Sauerstoff speicherndes Material . Nur ein Teil der
feinteiligen Feststoffe der zweiten Schicht dient als Träger für die
Platingruppenmetalle. Der Katalysator ist ein Dreiwegekatalysator, der die schädlichen Abgaskomponenten im Wesentlichen bei stöchiometrischen Bedingungen, d .h. bei der Luftzahl λ von 1 umsetzt.
Aus der US2009/320457 ist ein Stickoxid-Speicherkatalysator bekannt, der zwei übereinander liegende Katalysatorschichten auf einem Trägersubstrat umfasst. Die untere, direkt auf dem Trägersubstrat liegende Schicht umfasst ein oder mehrere Edelmetalle, sowie ein oder mehrere Stickoxid- Speicherkomponenten. Die obere Schicht umfasst ein oder mehrere
Edelmetalle, sowie Ceroxid und ist frei von Alkali- oder Erdalkalikomponenten. Katalysatorsubstrate, die Stickoxid-Speichermaterialien enthalten und zwei oder mehr Schichten aufweisen, sind auch in der WO 2012/029050 beschrieben. Die erste Schicht befindet sich direkt auf dem Trägersubstrat und umfasst Platin und/oder Palladium, während sich die zweite Schicht auf der ersten befindet und Platin umfasst. Beide Schichten enthalten außerdem ein oder mehrere Sauerstoffspeichermaterialien und ein oder mehrere Stickoxid-Speichermaterialien, die ein oder mehrere Alkali- und/oder Erdalkalimetalle umfassen. Die Gesamtmenge an Alkali- und Erdalkalimetall in den Stickoxid-Speichermaterialien beträgt 0,18 bis 2,5 g/in3, berechnet als Alkalimetalloxid M20 und Erdalkalimetalloxid MO.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stickoxid-Speicherkatalysator aus mindestens zwei katalytisch aktiven Washcoatschichten auf einem
Tragköper,
wobei
- eine untere Washcoatschicht A Ceroxid, eine Erdalkaliverbindung
und/oder eine Alkaliverbindung, sowie Platin enthält und eine obere Washcoatschicht B, die über der Washcoatschicht A angeordnet ist, Ceroxid, sowie Platin und/oder Palladium und keine Erdalkaliverbindung enthält
und wobei die Washcoatschicht B in einer Menge von 50 bis 200g/l, bezogen auf das Volumen des Tragkörpers, vorliegt und der Mindest-Massenanteil in % von Ceroxid in der Washcoatschicht B sich aus der Formel
0,1 x Menge der Washcoatschicht B in g/l + 30 errechnet. Das in den Washcoatschichten A und B eingesetzte Ceroxid kann
handelsüblicher Qualität sein, d .h. einen Ceroxid-Anteil von 90 bis 100 Gew.-% aufweisen.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird Ceroxid in der Washcoatschicht A in einer Menge von 30 bis 120 g/l, insbesondere 30 bis 80 g/l, eingesetzt.
In der Washcoatschicht B errechnet sich der Mindest-Massenanteil in % von Ceroxid nach oben genannter Formel. Unter dem Ausdruck„Menge der Washcoatschicht B in g/l" in dieser Formel ist die dimensionslose Zahl zu verstehen, die der in g/l angegebenen Menge der Washcoatschicht B entspricht.
Für eine Washcoatbeladung von 50g/l ergibt sich somit ein Mindest- Massenanteil von Ceroxid von 35%, entsprechend 17,5 g/l bezogen auf das Volumen des Tragkörpers.
Für eine Washcoatbeladung von 200g/l ergibt sich somit ein Mindest- Massenanteil von Ceroxid von 50%, entsprechend 100 g/l bezogen auf das Volumen des Tragkörpers.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt der
Massenanteil von Ceroxid in der Washcoatschicht B mindestens 50%, was je nach Gesamtbeladung von Washcoatschicht B Mengen von mindestens 25 bis 100 g/l, bezogen auf das Volumen des Tragkörpers, entspricht. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt die Washcoatschicht B in einer Menge von 75 bis 150g/l, bezogen auf das Volumen des Tragkörpers, vor. Dementsprechend betragen in diesem Fall die Ceroxid-Mengen mindestens 28,1 bis 67,5 g/l, jeweils bezogen auf das Volumen des Tragkörpers.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt die Washcoatschicht B in einer Menge von 80 bis 130g/l, bezogen auf das Volumen des Tragkörpers, vor. Dementsprechend betragen in diesem Fall die Ceroxid-Mengen mindestens 30,4 bis 55,9 g/l, jeweils bezogen auf das Volumen des Tragkörpers.
Die Obergrenze der in Washcoatschicht B enthaltenen Ceroxid-Menge ergibt sich aus der maximalen Washcoatbeladung von 200g/l abzüglich der
Mengen an Edelmetall und den Trägermaterialien für die Edelmetalle, sowie gegebenenfalls enthaltenen weiteren Bestandteilen von Washcoatschicht B.
In bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthält aber
Washcoatschicht B außer Ceroxid, Edelmetall und Trägermaterialien für das
Edelmetall keine weiteren Bestandteile.
Die maximale Menge Ceroxid, die in Washcoatschicht B enthalten sein kann, kann also in einfacher Weise errechnet werden.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält
Washcoatschicht B nicht nur keine Erdalkaliverbindung, sondern auch keine Alkaliverbindung .
Die Washcoatschicht A enthält Platin oder Platin und Palladium. Im
letztgenannten Fall beträgt das Verhältnis Platin zu Palladium 1 : 2 bis 20 : 1, insbesondere 1 : 1 bis 10 : 1, beispielsweise 1 : 1, 2 : 1, 4: 1 und 10 : 1.
Die WashcoatschichtB enthält Platin oder Palladium, in bevorzugten
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthält sie Platin oder Platin und Palladium. Im letztgenannten Fall beträgt das Verhältnis Platin zu Palladium 1 : 2 bis 20 : 1, insbesondere 1 : 1 bis 10 : 1, beispielsweise 1 : 1, 2 : 1,
4: 1 und 10 : 1.
In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthalten
Washcoatschicht A und/oder Washcoatschicht B als weiteres Edelmetall Rhodium. Rhodium liegt in diesem Fall insbesondere in Mengen von 0,1 bis 10 g/ft3 (entspricht 0,003 bis 0,35 g/l), bezogen auf das Volumen des Tragkörpers, vor. Sowohl in der Washcoatschicht A, als auch in der Washcoatschicht B liegen die Edelmetalle Platin und/oder Palladium und gegebenenfalls Rhodium üblicherweise auf geeigneten Trägermaterialien vor. Als solche werden hochoberflächige, hochschmelzende Oxide verwendet, beispielsweise
Aluminiumoxid, Siliziumdioxid, Titandioxid, aber auch Mischoxide wie beispielsweise Cer-Zirkon-Mischoxide.
In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird als Trägermaterial für die Edelmetalle Aluminiumoxid verwendet, insbesondere solches, das durch 1 bis 6 Gew.%, insbesondere 4 Gew.-%, Lanthanoxid stabilisiert ist. Es ist bevorzugt, wenn die Edelmetalle Platin, Palladium bzw. Rhodium lediglich auf einem oder mehreren der oben genannten Trägermaterialien geträgert sind und somit nicht mit allen Bestandteilen der jeweiligen
Washcoatschicht in enger Berührung stehen.
Als Erdalkaliverbindung in der Washcoatschicht A kommen insbesondere Oxide, Carbonate oder Hydroxide von Strontium und Barium in Frage, besonders Bariumoxid und Strontiumoxid.
Als Alkaliverbindung in der Washcoatschicht A kommen insbesondere Oxide, Carbonate oder Hydroxide von Lithium, Kalium und Natrium in Frage. In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung liegt die Erdalkali- bzw, Alkaliverbindung in Mengen von 10 bis 50 g/l, besonders 15 bis 20 g/l, berechnet als Erdalkali- bzw. Alkalioxid, vor. In einer bevorzugten Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung einen Stickoxid-Speicherkatalysator aus mindestens zwei katalytisch aktiven Washcoatschichten auf einem Tragköper,
wobei
- eine untere Washcoatschicht A
o Ceroxid in einer Menge von 30 bis 80 g/l,
o Platin und Palladium im Verhältnis 10 : 1, sowie
o Bariumoxid; enthält und
eine obere Washcoatschicht B über der unteren Washcoatschicht A angeordnet ist und
o keine Erdalkaliverbindung und keine Alkaliverbindung,
o Platin und Palladium im Verhältnis 10 : 1, sowie
o Ceroxid in einer Menge von 40 bis 100 g/l
enthält, wobei die Washcoatschicht B in Mengen von 80 bis 130 g/l vorliegt und wobei sich die Mengenangabe g/l jeweils auf das Volumen des
Tragkörpers bezieht.
Die Aufbringung der katalytisch aktiven Waschcoatschichten A und B auf den Tragkörper erfolgt nach den üblichen Tauchbeschichtungsverfahren bzw. Pump- und Saug-Beschichtungsverfahren mit sich anschließender thermischer Nachbehandlung (Kalzination und gegebenenfalls Reduktion mit Formiergas oder Wasserstoff). Diese Verfahren sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt. Die erfindungsgemäßen Stickoxid-Speicherkatalysatoren eignen sich in hervorragender Weise zur Konvertierung von NOx in Abgasen von
Kraftfahrzeugen, die mit mager betriebenen Motoren, etwa Dieselmotoren, betrieben werden. Sie erreichen eine gute NOx-Konvertierung bei
Temperaturen von circa 200 bis 450°C, ohne dass NOx-Konvertierung bei hohen Temperaturen negativ beeinflusst wird . Die erfindungsgemäßen Stickoxid-Speicherkatalysatoren sind somit für Euro 6 Anwendungen geeignet. Die vorliegende Erfindung betrifft somit auch ein Verfahren zur
Konvertierung von NOx in Abgasen von Kraftfahrzeugen, die mit mager betriebenen Motoren, etwa Dieselmotoren, betrieben werden, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Abgas über einen Stickoxid-Speicher- katalysator aus mindestens zwei katalytisch aktiven Washcoatschichten auf einem Tragköper geleitet wird,
wobei
eine untere Washcoatschicht A Ceroxid, eine Erdalkaliverbindung und/oder einer Alkaliverbindung, sowie Platin enthält und
- eine obere Washcoatschicht B, die über der Washcoatschicht A
angeordnet ist, Ceroxid, sowie Platin und/oder Palladium und keine Erdalkaliverbindung enthält
und wobei die Washcoatschicht B in einer Menge von 50 bis 200g/l , bezogen auf das Volumen des Tragkörpers, vorliegt und der Mindest- Massenanteil von Ceroxid in % in der Washcoatschicht B sich aus der Formel
0,1 x Menge der Washcoatschicht B in g/l + 30 errechnet. Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hinsichtlich des
Stickoxid-Speicherkatalysators entsprechen den oben stehenden
Beschreibungen.
Die Erfindung wird in den nachstehenden Beispielen und Figuren näher erläutert.
Figur 1 : NOx-Konvertierung der Katalysatoren Kl, VK1A in Abhängigkeit der Temperatur.
Figur 2 : NOx-Konvertierung der Katalysatoren K2 und VK2A in Abhängigkeit von der Temperatur.
Figur 3 : Gespeicherte NOx-Masse in den ersten 800s eines NEDC-Fahrzyklus bezogen auf das Katalysatorvolumen in Abhängigkeit der Washcoatbeladung der oberen Washcoatschicht B und dem Ceroxid-Massenanteil in der
Washcoatschicht B. Beispiel 1
Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Katalysators wird ein
wabenförmiger Keramikträger mit einer ersten Washcoatschicht A
beschichtet, die Pt und Pd geträgert auf einem Lanthan-stabilisiertem
Alumina, Ceroxid in einer Menge 47 g/l, sowie 17 g/l Bariumoxid und 15 g/l Magnesiumoxid enthält. Die Beladung von Pt und Pd beträgt dabei 50 g/cft (1,766 g/l) und 5 g/cft (0,177 g/l) und die Gesamtbeladung der
Washcoatschicht 181 g/l bezogen auf das Volumen des Keramik-Trägers. Auf die erste Washcoatschicht wird eine weitere Washcoatschicht B aufgebracht, die ebenfalls Pt und Pd sowie Rh geträgert auf einem Lanthanstabilisiertem Alumina enthält. Die Beladung von Pt, Pd und Rh in dieser Washcoatschicht beträgt 50 g/cft (1,766 g/l), 5 g/cft (0,177 g/l) und 5 g/cft (0,177 g/l). Die Washcoatschicht B enthält außerdem 93 g/l Ceroxid bei einer Washcoatbeladung der Schicht B von 181 g/l.
Der so erhaltene Katalysator wird nachstehend Kl genannt.
Vergleichsbeispiele la bis lc
Die Vergleichsbeispiele la bis lc unterscheiden sich von Beispiel 1 dadurch, dass die Mengen an Ceroxid in Washcoatschicht A und B variiert sind bei einer konstanten Gesamt-Ceroxidmenge von 140 g/l und konstanter Washcoat-Beladung der Washcoatschicht A und B. Die Ceroxid-Aufteilung der Vergleichsbeispiele la bis le ergibt sich aus nachfolgender Tabelle 1. Die so erhaltenen Katalysatoren werden nachstehend VK1A, VK1B bzw. VK1C genannt.
Beispiel 2
Beispiel 2 unterscheidet sich von den vorangegangenen Beispielen dadurch, dass die untere Washcoatschicht A eine Washcoatbeladung von 300 g/l und eine Ceroxid-Menge von 116 g/l aufweist. Dagegen hat die obere
Washcoatschicht B eine Washcoatbeladung von 62 g/l und eine Ceroxid- Beladung von 24 g/l. Dies entspricht einem Ceroxid-Anteil in der
Washcoatschicht B von 39%. Der so erhaltene Katalysator wird nachstehend K2 genannt. Vergleichsbeispiele 2a bis 2c
Die Vergleichsbeispiele 2a bis 2c unterscheiden sich von Beispiel 2 dadurch, dass Washcoatbeladungen der Washcoatschichten A und B variiert sind, wobei die Gesamt-Washcoatbeladungen beider Schichten konstant 362 g/l beträgt. Ebenso ist die Ceroxid-Anteil in der Washcoatschicht B konstant bei 39% und die Gesamt-Ceroxide-Menge konstant bei 140 g/l bezogen auf das Katalysatorvolumen. Die Washcoatbeladungen der Washcoatschicht B und die Ceroxid-Mengen in den Washcoatschichten A und B ergeben sich aus nachfolgender Tabelle 1.
Die so erhaltenen Katalysatoren werden nachstehend VK2A, VK2B bzw. VK2C genannt. Beispiel 3 :
Beispiel 3 unterscheidet sich von den vorangegangenen Beispielen dadurch, dass untere Washcoatschicht A eine Washcoatbeladung von 235 g/l und eine Ceroxid-Menge von 65 g/l aufweist. Dagegen hat die obere
Washcoatschicht B eine Washcoatbeladung von 127 g/l und eine Ceroxid- Beladung von 75 g/l . Dies entspricht einem Ceroxid-Anteil in der
Washcoatschicht B von 75%.
Der so erhaltene Katalysator wird nachstehend K2 genannt.
Vor der Durchführung von Vergleichsversuchen wurden alle Katalysatoren der vorstehenden Beispiele und Vergleichsbeispiele für 16h bei 750°C unter wechselnder fett/mager Atmosphäre gealtert. Dabei dauerte jede fett-Phase 60s und enthielt 4 vol% CO, während die mager-Phase ebenfalls 60 s dauerte und 10vol% O2 enthielt. Während der gesamten Alterung wurden zusätzlich 10vol% H2O dosiert.
In der US2009/320457 wird in Figur 8 gezeigt, dass Beispiel-Katalysator 1 im Vergleich zu einem Katalysator A eine verbesserte NOx-Konvertierung bei Temperaturen < 300°C aufweist, dagegen bei T > 350°C schlechtere Konvertierung zeigt. Beispiel-Katalysator 1 weist zwei Washcoatschichten auf, wobei die erste Schicht eine Washcoatbeladung von 1,7 g/in3 (104 g/l) und die zweite Schicht eine Washcoatbeladung von 2,6 g/in3 (159 g/l) hat. Über die Ceroxid-Menge in der zweiten Washcoatschicht sind keine klaren Angaben gemacht.
In Figur 1 ist die NOx-Konvertierung des erfindungsgemäßen Katalysators Kl und des Vergleichskatalysators VK1A in Abhängigkeit von der
Temperatur vor dem Katalysator in einem Modellgasreaktor gezeigt. Dabei wird, während die Temperatur von 600°C auf 150°C mit 7,5°C pro Minute abgesenkt wird, der Katalysator abwechselnd für 80s mit„magerem" Abgas und für 10s mit„fettem" Abgas beaufschlagt. Während des Testes wird konstant 500 ppm NO und 33 ppm Propen sowie 17 ppm Propan dosiert. Der Vergleich der Katalysatoren Kl und VK1A in Figur 1 zeigt, dass der erfindungsgemäße Katalysator Kl eine verbesserte NOx-Konvertierung bei Temperaturen < 350°C aufweist, während die NOx-Konvertierung bei höheren Temperaturen gleich geblieben ist.
In Figur 2 ist die NOx-Konvertierung des erfindungsgemäßen Katalysators K2 und des Vergleichskatalysators VK2A von der Temperatur vor dem
Katalysator gemessen nach derselben Prozedur wie in Figur 1 dargestellt. Dabei zeigt sich, dass durch Verringerung der Washcoatbeladung der Washcoatschicht B bei gleich bleibenden Ceroxid-Anteil die NOx- Konvertierung gesteigert werden kann.
Tabelle 1 zeigt die Zusammenfassung aller Katalysatoren. Zusätzlich ist die gespeicherte NOx-Menge bezogen auf das Katalysatorvolumen in den ersten 800s eines NEDC-Fahrzyklus gezeigt. Dazu wird das Abgas eines typischen Euro 6 Diesel-Motors in einem Modellgasreaktor simuliert und über die Katalysatorprobe geleitet. Die ersten 800s des NEDC-Zyklus zeigen das NOx-Einspeicherverhalten bei Temperaturen < 200°C. Um die Euro 6 Abgasnorm zu erfüllen, ist es dabei besonders wichtig in diesem Bereich eine hohe NOx-Speicherkapazität zu zeigen. Die Werte für die eingespeicherte NOx-Masse in Tabelle 1 zeigen, dass nur bei den
erfindungsgemäßen Beispielen die Speicherkapazität > 850 mg/l bezogen auf das Katalysatorvolumen beträgt. Tabelle 1
In Figur 3 ist der Zusammenhang zwischen der eingespeicherten NOx- Menge in den ersten 800s eines NEDC-Fahrzyklus und der
Washcoatbeladung der Washcoatschicht B sowie dem Ceroxid-Anteil in dieser gezeigt. Die Punkte oberhalb der schwarzen Linie entsprechen den erfindungsgemäßen Beispielen mit ausreichenden NOx- Speichereigenschaften. Der Ceroxid-Anteil in der Washcoatschicht B muss daher mindestes dem mit folgender Formel berechnetem Anteil
entsprechen : Mindest-Ceroxid-Anteil in der Washcoatschicht B [%] = 0,1 x Washcoatbeladung B [g/l] + 30.
Beispiel 4
Ein weiterer erfindungsgemäßer Katalysator wird erhalten, wenn man ausgehend von Katalysator K2 des Beispiels 2 eine Ceroxidmenge in der Washcoatschicht B von 40 g/l wählt. Dies entspricht einem Ceroxid-Anteil in der Washcoatschicht B von 64,5%. Beispiel 5
Ein weiterer erfindungsgemäßer Katalysator wird erhalten, wenn man ausgehend von Katalysator Kl des Beispiels 1 eine Ceroxidmenge in der Washcoatschicht B von 145 g/l wählt. Dies entspricht einem Ceroxid-Anteil in der Washcoatschicht B von 80%.
Beispiel 6
Zur Herstellung eines weiteren erfindungsgemäßen Katalysators wird ein wabenförmiger Keramikträger mit einer ersten Washcoatschicht A beschichtet, die Pt und Pd in Kombination mit einem Magnesium- Aluminium-Mischoxid, Ceroxid in einer Menge 160 g/l, sowie 18 g/l
Bariumoxid enthält. Die Beladung von Pt und Pd beträgt dabei 60 g/cft (2,119 g/l) und 6 g/cft (0,212 g/l) und die Gesamtbeladung der
Washcoatschicht 258 g/l bezogen auf das Volumen des Keramik-Trägers. Auf die erste Washcoatschicht wird eine weitere Washcoatschicht B aufgebracht, die Pt und Pd sowie Rh geträgert auf einem Lanthanstabilisiertem Alumina enthält. Die Beladung von Pt, Pd und Rh in dieser Washcoatschicht beträgt 20 g/cft (0,706 g/l), 10 g/cft (0,353 g/l) und 5 g/cft (0,177 g/l). Die Washcoatschicht B enthält außerdem 55 g/l Ceroxid bei einer Washcoatbeladung der Schicht B von 100 g/l .

Claims

Patentansprüche
1. Stickoxid-Speicherkatalysator aus mindestens zwei katalytisch aktiven Washcoatschichten auf einem Tragköper,
wobei
- eine untere Washcoatschicht A Ceroxid, eine Erdalkaliverbindung
und/oder eine Alkaliverbindung, sowie Platin enthält und
eine obere Washcoatschicht B, die über der Washcoatschicht A angeordnet ist, Ceroxid, sowie Platin und/oder Palladium und keine Erdalkaliverbindung enthält
und wobei die Washcoatschicht B in einer Menge von 50 bis 200g/l , bezogen auf das Volumen des Tragkörpers, vorliegt und der Mindest- Massenanteil in % von Ceroxid in der Washcoatschicht B sich aus der Formel
0,1 x Menge der Washcoatschicht B in g/l + 30 errechnet.
2. Stickoxid-Speicherkatalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Washcoatschicht A Ceroxid in einer Menge von 30 bis 100 g/l enthält.
3. Stickoxid-Speicherkatalysator nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, die Washcoatschicht B in einer Menge von 80 bis 130 g/l, bezogen auf das Volumen des Tragkörpers, vorliegt.
4. Stickoxid-Speicherkatalysator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Massenanteil von Ceroxid in der Washcoatschicht B mindestens 50% beträgt.
5. Stickoxid-Speicherkatalysator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Washcoatschicht B keine
Alkaliverbindung enthält.
6. Stickoxid-Speicherkatalysator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Washcoatschicht A und die Washcoatschicht B jeweils Platin und Palladium enthält.
7. Stickoxid-Speicherkatalysator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis Platin zu Palladium 1 : 2 bis 20 : 1 beträgt.
8. Stickoxid-Speicherkatalysator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Washcoatschicht A
Erdalkaliverbindung und/oder Alkaliverbindung in Mengen von 10 bis 50 g/l, bezogen auf das Volumen des Tragkörpers, enthält.
9. Stickoxid-Speicherkatalysator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Erdalkaliverbindung in
Washcoatschicht A Bariumoxid oder Strontiumoxid ist.
10. Stickoxid-Speicherkatalysator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass er
eine untere Washcoatschicht A, die
o Ceroxid in einer Menge von 30 bis 80 g/l,
o Platin und Palladium im Verhältnis 10 : 1, sowie
o Bariumoxid; enthält und
eine obere Washcoatschicht B über der unteren Washcoatschicht A angeordnet ist, die
o keine Erdalkaliverbindung und keine Alkaliverbindung,
o Platin und Palladium im Verhältnis 10 : 1, sowie
o Ceroxid in einer Menge von 40 bis 100 g/l enthält
umfasst, wobei die Washcoatschicht B in Mengen von 80 bis 130 g/l vorliegt und wobei sich die Mengenangabe g/l jeweils auf das Volumen des
Tragkörpers bezieht.
11. Verfahren zur Konvertierung von NOx in Abgasen von Kraftfahrze die mit mager betriebenen Motoren betrieben werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas über einen Stickoxid-Speicherkatalysator aus mindestens zwei katalytisch aktiven Washcoatschichten auf einem Tragköper geleitet wird,
wobei
- eine untere Washcoatschicht A Ceroxid, eine Erdalkaliverbindung
und/oder eine Alkaliverbindung, sowie Platin enthält und
eine obere Washcoatschicht B, die über der Washcoatschicht A angeordnet ist, Ceroxid, sowie Platin und/oder Palladium und keine Erdalkaliverbindung enthält,
und wobei die Washcoatschicht B in einer Menge von 50 bis 200g/l , bezogen auf das Volumen des Tragkörpers, vorliegt und der Mindest- Massenanteil in % von Ceroxid in der Washcoatschicht B sich aus der Formel
0,1 x Menge der Washcoatschicht B in g/l + 30 errechnet.
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