КАТАЛИЗАТОР ДЛЯ ИЗБИРАТЕЛЬНОГО ОКИСЛЕНИЯ МОНООКСИДА УГЛЕРОДА В СМЕСИ С АММИАКОМ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК B01J21/04 B01J23/46 B01J23/52 B01J37/02 B01J37/08 B01J37/16 B01D53/62 

Изобретение относится к области каталитической очистки выхлопных газов автотранспорта, в частности к катализатору избирательного окисления монооксида углерода (CO) в смеси с аммиаком, содержащему золото, рутений и оксид алюминия, и к способу его получения, и может быть использовано для систем очистки выхлопных газов двигателей, работающих в условиях бедной смеси. Такие системы найдут применение при очистке выхлопов автотранспорта.

В настоящее время с целью снижения потребления топлива автотранспортом разрабатываются и внедряются более экономичные двигатели, работающие в условиях бедной смеси (бензиновые двигатели с турбонаддувом, дизельные двигатели), а это приводит к увеличению содержания оксидов азота (NO_x) в автотранспортных выхлопах, т.к. использующиеся в настоящее время нейтрализаторы с трехмаршрутным катализатором (TWC) неактивны в данных условиях и не могут эффективно восстанавливать образующиеся оксиды азота до N₂. Следовательно, необходимо использовать другие системы нейтрализации автовыхлопов, работающие в условиях обедненных топливно-воздушных смесей (ТВС). Недавно предложена система пассивного селективного восстановления аммиаком (PASS) [C.H. Kim, К. Perry, M. Viola, W. Li, К. Narayanaswamy, SAE Technical Paper 2011-01-0306 (2011) 452 р.], действие которой основано на следующих принципах:

1. Периодически двигатель работает на обогащенной ТВС при небольшом, по сравнению со стехиометрией, снижении соотношения воздух-топливо. При этом на TWC образуется аммиак.

2. Получаемый аммиак поглощается (адсорбируется) катализатором селективного восстановления оксидов азота (SCR), расположенным вслед за TWC.

3. При последующих циклах работы двигателя на бедной смеси образующиеся NO_x превращаются в экологически безвредный азот на катализаторе SCR с помощью адсорбированного аммиака.

Поскольку катализаторы SCR эффективны при температурах ниже 400°C, то для снижения температуры аммиаксодержащего газа осуществляется его разбавление воздухом извне. Однако одновременно с аммиаком образуется большое количество токсичного монооксида углерода (CO), который не окисляется на катализаторе SCR, более того, отравляет его и поступает в окружающую среду. Одним из способов устранения данного недостатка может быть размещение между катализаторами TWC и SCR дополнительного катализатора избирательного окисления CO в присутствии аммиака, обеспечивающего высокую степень окисления CO до углекислого газа при минимальной конверсии аммиака. Рабочие температуры катализатора избирательного окисления CO должны быть минимально возможными и не превышать 400°C.

В литературе описано и запатентовано множество катализаторов окисления CO в выхлопах автомобильных двигателей [Н.М. Попова. Катализаторы очистки выхлопных газов автотранспорта. Из-во «Наука», Алма-Ата, 1987; R.M. Heck, R.J. Farrauto. Catalytic air pollution control. Commercial Technology. Van Nostrand Reinhold, Division of International Thomson Publishing Inc., New-York, 1995], в качестве активного компонента в которых используется Pt, Pd, Rh. Недостатками этих катализаторов является низкая эффективность при повышенном содержании СО и высокая активность в окислении аммиака [Chang-Mao Hung, Cordierite-supported Pt-Pd-Rh ternary composite for selective catalytic oxidation of ammonia, Powder Technology 200 (2010) 78-83], что приводит к одновременному окислению СО и аммиака в смесях.

В литературе также описаны катализаторы низкотемпературного окисления CO, содержащие 5-8 мас.% золота и оксид металла в качестве носителя, в том числе оксид алюминия [G.C. Bond, С.Louis, D. Thompson, Catalysis by Gold, Imperial College Press, London, 2006.]. К недостаткам этих катализаторов следует отнести высокое содержание дорогостоящего металла, низкую активность в окислении СО при использовании оксида алюминия, высокую активность в окислении аммиака и низкую термостабильность.

Известны золотосодержащие катализаторы окисления оксида углерода, в состав которых помимо 0,1-10 мас.% золота входят другие каталитически активные металлы (менее 0,05 мас.%) и пористый оксидный носитель из числа алюмофосфатов, гексаалюминатов, алюмосиликатов, титансиликатов, цирконатов, титанатов, а также оксидов алюминия, кремния, железа, титана [EP 1776187 (A1) - 2007-04-25 Supported gold catalysts; W0 2006003450 (A1)]. Эти катализаторы готовят пропиткой носителя по влагоемкости растворами соединений золота с последующей многократной промывкой растворами щелочи и дистиллированной водой с целью удаления хлорид-ионов, сушкой при 120°C. Недостатками этих катализаторов являются (1) большая потеря золота на стадии отмывки от хлорид-ионов, (2) низкая термостабильность.

Недавно, для окисления CO при температурах ниже 200°C предложен катализатор, представляющий собой мезопористый оксид рутения RuO₂ [J.-N. Park, J.K. Shon, M. Jin, S.S. Kong, K. Moon, G.O. Park, J.-H. Boo, J.M. Kim, React. Kinet. Mech. Cat. 103 (2011) 87-99]. К недостаткам этого катализатора следует отнести сложность изготовления катализатора, высокую стоимость, слабую механическую прочность, низкую термостабильность.

Известен катализатор избирательного окисления СО в смеси с водородом, содержащий рутений (1 мас.%), нанесенный на оксид алюминия [S.Y. Chin, O.S. Alexeev, M.D. Amiridis, Preferential oxidation of CO under excess H₂ conditions over Ru catalysts Appl. Catal. A: Gen. 286 (2005) 15 7-166]. Катализатор готовили следующим образом. Оксид алюминия (удельная поверхность 100 м /г) пропитывали по влагоемкости водными растворами Ru(NO)(NO₃)₃·xH₂O или RuCl₃·xH₂O, или раствором Ru₃(CO)₁₂ в гексане, затем сушили при 120°C и восстанавливали согласно одной из последующих процедур: (1) прокаливание при 300°C в смеси 5% O₂/N₂ в течение 2 часов с последующим восстановлением при 300°C в смеси 5% H₂/N₂ в течение 2 часов; (2) восстановлением при 300°C в смеси 5% H₂/N₂ в течение 2 часов без предварительного прокаливания. К недостаткам этого катализатора следует отнести снижение активности в окислении CO в присутствии паров воды и, особенно, углекислого газа.

Недавно предложены золотые катализаторы окисления CO, содержащие оксид алюминия и 1-2 мас.% золота [B.L. Moroz, P.A. Pyrjaev, V.I. Zaikovskii, V.I. Bukhtiyarov Nanodispersed Аu/Аl₂О₃ catalysts for low-temperature CO oxidation: Results of research activity at the Boreskov Institute of Catalysis. Catalysis Today 144 (2009) 292-3 05]. Катализаторы готовили методом нанесения осаждением прекурсора золота из водных растворов золотохлористоводородной кислоты гидроксидом натрия при определенных рН и температурах, в течение 1 часа, с последующей отмывкой теплой дистиллированной водой (200 мл/г), сушкой и прокаливанием на воздухе при 400°C в течение 4 часов. Недостатком этих катализаторов является плохая воспроизводимость каталитической активности образцов, сложность методики синтеза и большие (17-27 относ.%) потери золота при синтезе.

В литературе описан катализатор избирательного окисления CO в присутствии водорода, с повышенной термостабильностью, содержащий 5% золота, нанесенного на оксид алюминия и принятый нами за прототип [R.J.H. Grisel, C.J. Weststrate, A. Goossens, M.W.J. Craje, A.M. van der Kraan, B.E. Nieuwenhuys, Oxidation of CO over Au/MO_x/Al₂O₃ multi-component catalysts in a hydrogen-rich environment. Catal. Today 72 (2002)123-132.]. Катализатор готовят путем нанесения прекурсора золота на оксид алюминия осаждением с помощью мочевины при нагревании, с последующей сушкой и термообработкой в токе водорода при 300°C по методике, описанной в работе [R.J.H. Grisel, B.E. Nieuwenhuys, A comparative study of the oxidation of CO and CH₄ over Au/MO_x/Al₂O₃ catalysts. Catal. Today 64 (2001) 69-81.]. Для этого требуемое количество золотохлористоводородной кислоты растворяли в дистиллированной воде и прибавляли к оксиду алюминия, при этом устанавливался Ph 4. К суспензии добавляли избыток мочевины, при интенсивном перемешивании нагревали суспензию до 70-75°C с целью разложения мочевины и выдерживали при этих температурах пока значение рН не достигало 8. Затем суспензию охлаждали и фильтровали. Полученный образец сушили при 80°C, и восстанавливали в токе водорода при 300°C в течение 30 мин. Недостатком катализатора является высокая активность в окислении аммиака и, как следствие, высокая конверсия аммиака при достижении полного окисления CO.

Задачей настоящего изобретения является повышение активности и избирательности катализатора в окислении монооксида углерода в присутствии аммиака, а также разработка способа его получения.

Поставленная задача достигается предлагаемым катализатором для избирательного окисления монооксида углерода в смеси с аммиаком, включающим золото и оксид алюминия, согласно изобретению, катализатор дополнительно содержит рутений при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Au 0,5-1,0 Ru 1,0-5,0 Оксид алюминия (Al₂O₃) Остальное

и предложенным способом его получения путем нанесения соединения рутения на оксид алюминия с последующим прибавлением к образцу раствора соединения золота при перемешивании при комнатной температуре под водородсодержащей атмосферой. Рутений наносят на оксид алюминия путем пропитки его водным раствором соединения рутения с последующим прокаливанием при температуре 300°C и восстановлением в токе водорода при температуре 300°C.

Предлагаемый способ включает стадии осаждения прекурсора рутения на поверхности частиц оксида алюминия, термического разложения прекурсора рутения до оксида рутения, восстановления частиц оксида рутения до наночастиц металлического рутения и их насыщения водородом под водородсодержащей атмосферой. Золото наносят на частицы рутения путем добавления раствора соединения золота к восстановленному образцу рутения на оксиде алюминия под водородсодержащей атмосферой при комнатной температуре.

С целью повышения избирательности окисления CO, на оксид алюминия сначала наносят наночастицы металлического рутения, и затем осаждают на их поверхности наночастицы золота.

С целью полного предпочтительного осаждения золота на поверхности наночастиц рутения и повышения дисперсности золота, осаждение золота осуществляют при комнатной температуре путем добавления раствора соединения золота к образцу Ru/Al₂O₃, находящемуся под водородсодержащей атмосферой, и перемешивания до полного осаждения золота.

Отличительным признаком предлагаемого катализатора является использование в качестве активного компонента катализатора одновременно рутения и золота, а также их количественное содержание, которое составляет 1,0-5 мас.% и 0,5-1 мас.% соответственно, что позволило увеличить активность и избирательность катализатора. При концентрациях рутения ниже 1 мас.% наблюдается снижение избирательности. При концентрациях золота ниже 0,5 мас.% наблюдается снижение активности и избирательности. Увеличение концентрации рутения более 5%, а золота более 1% нецелесообразно, так как не повышает активность и избирательность катализатора и, более того, усложняет процесс приготовления катализатора. Следует отметить, что золото-рутениевые катализаторы на оксиде алюминия с предлагаемым составом не использовались вообще в катализе.

Отличительными признаками способа получения катализатора являются (1) предварительное нанесение рутения на оксид алюминия, что позволяет закрепить наночастицы металлического рутения на поверхности носителя; (2) осаждение золота в виде металла водородом, адсорбированным на поверхности рутения, что позволяет формировать обширные области контакта рутений-золото и снижает размер частиц золота, и (3) использование водородсодержащей атмосферы при осаждении золота на поверхность частиц рутения, что позволяет провести полное осаждение золота из растворов.

В качестве исходного соединения рутения могут быть использованы соли, обычно применяемые для нанесения наночастиц рутения на подложки, например, ацетат, хлорид, хлор- и оксалат-комплексы, а также комплексы другого состава. В качестве исходного соединения золота могут быть использованы золотохлористоводородная кислота и ее соли, обычно применяемые для нанесения наночастиц золота на подложки, а также другие соединения, например, ацетат и галогениды золота.

Изобретение соответствует критерию «новизна», так как в известной научно-технической и патентной литературе отсутствует полная совокупность признаков, характеризующих предлагаемое изобретение. Золото-рутениевые катализаторы, по проведенному нами анализу научно-технической литературы, а также рефератов и описаний патентов, не использовались для избирательного окисления CO в смеси с аммиаком.

Изобретение также соответствует критерию «изобретательский уровень», так как в отличие от известных катализаторов окисления монооксида углерода, содержащих два активных компонента, одним из которых являются частицы золота, нанесенные на оксид алюминия, предлагаемый катализатор содержит в качестве второго активного компонента наночастицы рутения, а наночастицы золота нанесены исключительно только на поверхность частиц рутения; активность и избирательность такой системы в реакции избирательного окисления CO в смеси с аммиаком, а также предлагаемый настоящим изобретением путь их синтеза не были описаны ранее. Более того, из приведенных в литературе результатов исследований каталитической активности систем, содержащих одновременно оксид алюминия и золото или оксид алюминия и рутений, а также золото и рутений на другом носителе, не следует возможность их применения для избирательного окисления CO в смеси с аммиаком при одновременном снижении активности в окислительном превращении аммиака.

Испытания катализаторов в окислении CO проводили в проточной установке с выдержкой при постоянной температуре до постоянных значений конверсии CO. Состав реакционной смеси: CO 4,5 об.%, NH₃ 1,5 об.%, О₂ 22,5 об.%, гелий - остальное. Объемная скорость подачи реакционной смеси 6000 ч^-1. Активность сравнивали по температурам достижения 50 и 95% конверсии CO: чем ниже температура, тем более активен катализатор. Избирательность катализаторов в окислении CO оценивали по разнице температур (T₁₀NH3 - T₉₅CO) детектируемого превращения аммиака (конверсия 10%) и практически полного окисления CO (конверсия 95%). При избирательном окислении CO эта разность имеет положительные значения, а отрицательная величина указывает на одновременное окисление аммиака в смеси с CO.

Полноту осаждения золота проверяют иодометрическим титрованием [С.И. Гинзбург, К.А. Кладышевская. Руководство по химическому анализу платиновых металлов и золота. Москва, Наука, 1965].

Изобретение далее иллюстрируется примерами, не ограничивающими его объем.

Пример 1. Образец готовят по заявляемому способу. Навеску (2,00 г) оксида алюминия с удельной поверхностью 95 м²/г пропитывают в избытке 6,28-10^-2 М раствора (3,16 мл) оксалаторутената аммония с последующим упариванием раствора на роторном испарителе при 80°C под вакуумом в 270 мбар. Упаривание суспензии проводят до получения сухого остатка. Далее пропитанный носитель сушат при 100°C в течение 8-12 часов, прокаливают при 300°C 4 часа, затем восстанавливают в токе водорода при 300°C в течение 2 часов и охлаждают до комнатной температуры. К полученному таким образом Ru/Al₂O₃ добавляют требуемое количество (10,67 мл) 9,51-10^-3 М раствора HAuCl₄ таким образом, чтобы исключить сообщение системы с атмосферой, и перемешивали раствор HAuCl₄ до обесцвечивания. Образец отделяли от раствора центрифугированием и промывали 0,01 М NaOH для удаления хлорид-ионов, а затем дистиллированной водой (100 мл/г кат.). Полученный катализатор сушили при 60°C в течение 8-12 часов. Состав катализатора и результаты испытаний активности и избирательности в окислении CO приведены в таблице.

Пример 2. Образец готовят по заявляемому методу. Аналогичен примеру 1, но объем раствора оксалаторутената аммония 15,8 мл. Состав катализатора и результаты испытаний активности и избирательности в окислении СО приведены в таблице.

Пример 3. Образец готовят по заявляемому методу. Аналогичен примеру 1, но объем раствора HAuCl₄ 5,34 мл. Состав катализатора и результаты испытаний активности и избирательности в окислении CO приведены в таблице.

Следующие примеры 4-6 даны для сравнения и описывают приготовление и результаты испытания образцов с запредельными значениями состава катализатора (Пример 4) без золота, по прототипу по составу (Пример 5) без рутения и по способу приготовления катализатора (Пример 6).

Пример 4. Аналогичен примеру 2, но нанесение золота не проводят. Состав катализатора и результаты испытаний активности и избирательности в окислении CO приведены в таблице.

Пример 5 (прототип). Катализатор готовили путем осаждения прекурсора золота на алюмооксидный носитель с удельной поверхностью 95 м²/г осаждением с помощью мочевины с последующей термообработкой с целью разложения прекурсора до металлического золота согласно следующей процедуре. Навеску порошкообразного носителя (3 г) диспергируют в 290 мл раствора HAuCl₄, содержащего 0.15 г золота. К суспензии добавляют 0,9 г мочевины. Полученную суспензию нагревают до 70-75°C при интенсивном перемешивании и выдерживают при этих температурах пока значение pH не достигнет 8. Затем суспензию охлаждают и центрифугируют. Полученный образец сушили при 80°C, и восстанавливали в токе водорода при 300°C в течение 30 мин.

Состав катализатора и результаты испытаний активности и избирательности в окислении CO приведены в таблице.

Пример 6. Сначала готовят образец Ru/Al₂O₃ по процедуре Примера 2, а затем наносят золото методом осаждения мочевиной по процедуре, описанной в Примере 5, но содержание золота в растворе HAuCl₄ 0,03 г.Состав катализатора и результаты испытаний активности и избирательности в окислении CO приведены в таблице.

Приведенные примеры показывают, что золото-рутениевые катализаторы на алюмооксидном носителе, приготовленные по предлагаемому способу (Примеры 1-3) обладают высокой активностью и избирательностью в окислении CO, т.е. позволяют проводить избирательное окисление монооксида углерода в присутствии аммиака и добиваться практически полного окисления CO до углекислого газа без существенной конверсии аммиака. При отсутствии золота вообще (сравнительный пример 4), наблюдается окисление аммиака при значительно более низких температурах, приводящее к потере избирательности окисления CO. Известный катализатор, приготовленный по известному способу (сравнительный пример 5), окисляет CO и аммиак одновременно и, следовательно, не может быть использован для селективного окисления CO в присутствии аммиака. При нанесении золота на RU/Al₂O₃ по известному способу получаются катализаторы с более низкой активностью в окислении CO и отрицательной разницей температур полного окисления CO и существенного превращения аммиака, т.е. с низкой избирательностью (сравнительный пример 6). Только совокупность всех заявляемых признаков изобретения позволяет достичь поставленной цели и получить высокоактивный и избирательный катализатор окисления CO в смеси с аммиаком.

Таким образом, техническим результатом настоящего изобретения является повышение избирательности в окислении CO в смеси с аммиаком за счет увеличения активности катализатора в окислении CO при одновременном уменьшении превращения аммиака. Кроме того, предлагаемый способ получения катализатора позволяет наносить Au-Ru активный компонент на гранулы оксида алюминия произвольного размера и формы.

Предлагаемое изобретение может быть применимо в различных системах и устройствах, используемых при очистке выхлопов автотранспорта. Предлагаемый состав и способ приготовления катализатора позволяет получать высокоэффективные катализаторы окисления монооксида углерода, способные избирательно окислять CO в смесях с аммиаком при низких температурах без конверсии аммиака, причем наличие большого температурного интервала между областями окисления CO и аммиака расширяет возможности конструкторской разработки соответствующих устройств очистки аммиака от CO. Предлагаемый способ получения катализатора является технологичным, не требует специфической аппаратуры, а в случае использования оксалаторутената аммония и экологически безопасным, что в совокупности позволит организовать широкомасштабное производство катализатора на базе существующих производств химической промышленности.

Таблица Активность и избирательность катализаторов в окислении монооксида углерода в смеси с аммиаком Пример Химический состав, % T₅₀CO (°C) T₉₅CO(°C) T₁₀NH₃ (°C) T₁₀NH₃ - T₉₅CO (°C) Ru Au Пример 1 1 1 165 192 212 +20 Пример 2 5 1 170 190 270 +80 Пример 3 1 0,5 160 185 220 +35 Пример 4 5 0 205 235 185 -50 Пример 5 0 5 240 290 235 -55 Пример 6 5 1 190 215 185 -30 ^a T₅₀CO и T₉₅CO - температура достижения 50% и 95% конверсии монооксида углерода соответственно; T₁₀NH₃ - температура достижения 10% конверсии аммиака.

Изобретение относится к области катализа. Описан катализатор избирательного окисления монооксида углерода в смеси с аммиаком, содержащий золото - 0,5-1,0 мас.%, рутений - 1,0-5,0 мас.% и оксид алюминия остальное. Описан способ приготовления указанного выше катализатора. Технический результат - повышение избирательности в окислении CO в смеси с аммиаком при одновременном уменьшении превращения аммиака. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 6 пр.

1. Катализатор для избирательного окисления монооксида углерода в смеси с аммиаком, включающий золото и оксид алюминия, отличающийся тем, что он дополнительно содержит рутений при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Au 0,5-1,0 Ru 1,0-5,0 Оксид алюминия остальное.

2. Способ получения катализатора для избирательного окисления монооксида углерода в смеси с аммиаком по п.1, который осуществляют путем нанесения рутения на оксид алюминия с последующим прибавлением к образцу раствора соединения золота при перемешивании при комнатной температуре под водородсодержащей атмосферой.

3. Способ получения катализатора по п.2, отличающийся тем, что нанесение рутения на оксид алюминия осуществляют путем пропитки его водным раствором соединения рутения с последующим прокаливанием при температуре 300°C и восстановлением в токе водорода при температуре 300°C.