НОВЫЙ ДВУХСЛОЙНЫЙ КАТАЛИЗАТОР TWC С ТРЕМЯ ЗОНАМИ В БЕНЗИНОВЫХ УСТРОЙСТВАХ, ПРОИЗВОДЯЩИХ ВЫХЛОПНОЙ ГАЗ Российский патент 2022 года по МПК F01N3/28 F01N3/20 

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к каталитическому изделию, применяемому для очистки выбросов выхлопного газа из бензиновых двигателей.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Двигатели внутреннего сгорания производят выхлопной газ, содержащий различные загрязняющие вещества, включая углеводороды (НС), монооксид углерода (СО) и оксиды азота (NO_x). Системы управления токсичностью выбросов, в том числе катализаторы выхлопных газов, широко используют для сокращения объема таких загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу. Наиболее часто применяемым для бензиновых двигателей катализатором является тройной катализатор (three way catalist; TWC). Катализаторы TWC выполняют три основные функции: (1) окисление СО; (2) окисление несгоревших НС; и (3) восстановление NO_x до N₂.

В большинстве каталитических нейтрализаторов катализатор TWC наносят на подложку с высокой площадью поверхности, способную выдерживать высокие температуры, например на проточную монолитную подложку с сотовой структурой. Большая площадь поверхности таких подложек упрощает протекание желаемых гетерогенных реакций, а также может способствовать увеличению противодавления на выпуске, т.е. ограничивать поток выхлопного газа из двигателя в выхлопную трубу. Высокое противодавление в выпускной системе может приводить к снижению экономии топлива и выходной мощности двигателя. Несмотря на достижения в технологии TWC, такие как описанные в патенте США №6,022,825, патенте США №9,352,279, патенте США №9,040,003 и публикации патента США №2016/0228818, по-прежнему существует необходимость в усовершенствованных каталитических нейтрализаторах для некоторых двигательных установок, которые одновременно обеспечивают высокие скорости преобразования и низкое противодавление. Настоящее изобретение, помимо прочего, решает эти проблемы.

ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Один аспект настоящего описания относится к каталитическому изделию для очистки выхлопного газа, содержащему: подложку, содержащую впускной конец, выпускной конец с осевой длиной L; впускной слой катализатора, начинающийся у впускного конца и проходящий на расстояние меньше осевой длины L, причем впускной слой катализатора содержит палладиевый компонент впускного слоя; выпускной слой катализатора, начинающийся у выпускного конца и проходящий на расстояние меньше осевой длины L, причем выпускной слой катализатора содержит родиевый компонент выпускного слоя; и при этом выпускной слой катализатора перекрывается с впускным слоем катализатора.

Изобретение также включает в себя выпускную систему для двигателей внутреннего сгорания, которая содержит компонент тройного катализатора изобретения.

Изобретение также включает в себя очистку выхлопного газа из двигателя внутреннего сгорания, в частности, для очистки выхлопного газа из бензинового двигателя. Способ включает в себя приведение выхлопного газа в контакт с компонентом тройного катализатора изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

На фиг. 1 показано каталитическое изделие, содержащее впускной слой катализатора и выпускной слой катализатора. Впускной слой катализатора полностью нанесен/осажден непосредственно на подложку. Выпускной слой катализатора частично нанесен/осажден непосредственно на подложку и частично нанесен/осажден на верхнюю часть впускного слоя катализатора.

На фиг. 2 показано каталитическое изделие, содержащее впускной слой катализатора и выпускной слой катализатора. Выпускной слой катализатора полностью нанесен/осажден непосредственно на подложку. Впускной слой катализатора частично нанесен/осажден непосредственно на подложку и частично нанесен/осажден на верхнюю часть выпускного слоя катализатора.

На фиг. 3 показано сравнительное коммерческое каталитическое изделие, содержащее два слоя на подложке с одной зоной.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к каталитическому преобразованию выхлопного газа сгорания, например газа, производимого бензиновым двигателями и другими двигателями, а также к соответствующим каталитическим изделиям и системам. В частности, изобретение относится к одновременному удалению NO_x, СО и НС из автомобильной выпускной системы. Авторы изобретения обнаружили синергетическое соотношение между определенными каталитически активными металлами и их ориентацией, которое неожиданно создает как высокую скорость преобразования No_x, СО, так и НС, одновременно создавая низкое противодавление. Процессы по настоящему изобретению также позволяют сократить время обработки и снизить затраты на катализатор.

Один аспект настоящего описания относится к каталитическому изделию для очистки выхлопного газа, содержащему: подложку, содержащую впускной конец, выпускной конец с осевой длиной L; впускной слой катализатора, начинающийся у впускного конца и проходящий на расстояние меньше осевой длины L, причем впускной слой катализатора содержит палладиевый компонент впускного слоя; выпускной слой катализатора, начинающийся у выпускного конца и проходящий на расстояние меньше осевой длины L, причем выпускной слой катализатора содержит родиевый компонент выпускного слоя; и при этом выпускной слой катализатора перекрывается с впускным слоем катализатора.

Каталитическое изделие по настоящему изобретению может содержать три зоны катализатора вдоль оси подложки: расположенную выше по потоку зону, покрытую только впускным слоем катализатора, среднюю зону, покрытую как впускным, так и выпускным слоями катализатора, и расположенную ниже по потоку зону, покрытую только выпускным слоем катализатора.

Авторы изобретения обнаружили, что эти катализаторы с различными ориентациями обеспечивают синергетический эффект как для повышения эффективности катализатора, так и для снижения противодавления, которое не достигается при использовании катализатора по отдельности или в стандартных ориентациях. Среди неожиданных преимуществ настоящего изобретения можно назвать более низкое противодавление по сравнению со стандартными катализаторами TWC аналогичной концентрации (нагрузки покрытия из пористого оксида) и повышенную каталитическую эффективность по сравнению со стандартным катализатором TWC, даже при более высоких концентрациях стандартного TWC. Эти преимущества приводят к повышению производительности двигателя, повышению экономии топлива и снижению затрат.

Впускной слой катализатора каталитического изделия может проходить от 50 до 99 процентов осевой длины L. Предпочтительно впускной слой катализатора может проходить от 55 до 95 процентов, от 60 до 90 процентов, более предпочтительно от 65 до 85 процентов осевой длины L. (Например, см. фиг. 1 и 2).

Выпускной слой катализатора каталитического изделия может проходить от 50 до 99 процентов осевой длины L. Предпочтительно выпускной слой катализатора может проходить от 55 до 95 процентов, от 60 до 90 процентов, более предпочтительно от 65 до 85 процентов осевой длины L. (Например, см. фиг. 1 и 2).

Впускной слой катализатора может по существу не содержать металлы платиновой группы (platinum group metal; PGM), отличные от палладиевого компонента впускного слоя.

Впускной слой катализатора может содержать металлы PGM, отличные от палладиевого компонента впускного слоя, такого как платина и/или родий. Впускной слой катализатора может содержать вплоть до 300 г/фут³ палладиевого или платино-палладиевого компонента впускного слоя. Предпочтительно впускной слой катализатора может содержать 10-200 г/фут³, более предпочтительно 20-150 г/фут³ палладиевого или платино-палладиевого компонента впускного слоя, причем массовое соотношение платины и палладия может составлять от 60:1 до 1:60, предпочтительно от 30:1 до 1:30, более предпочтительно от 10:1 до 1:10.

Впускной слой катализатора может дополнительно содержать материал неорганического оксида, материал для накопления кислорода (oxygen storage capacity; OSC) впускного слоя, щелочной компонент или компонент щелочноземельного металла впускного слоя и/или неорганический оксид впускного слоя впускного слоя.

Общая нагрузка покрытия из пористого оксида на впускной слой катализатора может составлять от 0,1 до 5 г/дюйм³. Предпочтительно общая нагрузка покрытия из пористого оксида на впускной слой катализатора составляет от 0,5 до 3,5 г/дюйм³, наиболее предпочтительно общая нагрузка покрытия из пористого оксида на впускной слой катализатора составляет от 1 до 2,5 г/дюйм³.

Материал OSC впускного слоя предпочтительно выбирают из группы, состоящей из оксида церия, оксида циркония, смешанного оксида церия-циркония и смешанного оксида алюминия-церия-циркония. Более предпочтительно материал OSC впускного слоя предпочтительно содержит смешанный оксид церия-циркония. Смешанный оксид церия-циркония может дополнительно содержать некоторые легирующие добавки, такие как La, Nd, Y, Pr и т.д.

Молярное соотношение циркония и церия смешанного оксида церия-циркония может составлять по меньшей мере 50:50, предпочтительно более 60:40, более предпочтительно более 75:25. Кроме того, материал OSC впускного слоя может функционировать в качестве материала подложки для палладиевого компонента впускного слоя.

Материал OSC впускного слоя (например, смешанный оксид церия-циркония) может составлять от 10 до 90 мас. %, предпочтительно 25-75 мас. %, более предпочтительно 35-65 мас. % в расчете на общую нагрузку покрытия из пористого оксида на впускной слой катализатора.

Нагрузка материала OSC впускного слоя во впускном слое катализатора может составлять менее 1,5 г/дюйм³. В некоторых вариантах осуществления нагрузка материала OSC впускного слоя во впускном слое катализатора составляет не более 1,2 г/дюйм³, 1,0 г/дюйм³, 0,9 г/дюйм³, 0,8 г/дюйм³, 0,7 г/дюйм³ или 0,6 г/дюйм³.

В некоторых вариантах осуществления на материал OSC впускного слоя может быть осажден щелочной или щелочноземельный металл впускного слоя. В альтернативном или дополнительном варианте осуществления щелочной или щелочноземельный металл впускного слоя может быть осажден на неорганический оксид впускного слоя. То есть в некоторых вариантах осуществления щелочной или щелочноземельный металл впускного слоя может быть осажден и на материал OSC впускного слоя, и на неорганический оксид впускного слоя, т.е. может присутствовать на обоих материалах.

Щелочной или щелочноземельный металл впускного слоя предпочтительно наносят/осаждают на неорганический оксид впускного слоя (например, алюминий). В дополнительном или в альтернативном варианте осуществления, находясь в контакте с неорганическим оксидом впускного слоя, щелочной или щелочноземельный металл впускного слоя может находиться в контакте с материалом OSC впускного слоя, а также палладиевым компонентом впускного слоя.

Щелочной или щелочноземельный металл впускного слоя предпочтительно представляет собой барий или стронций. Предпочтительно барий или стронций, в случае присутствия, присутствуете количестве от 0,1 до 15 массовых процентов, а более предпочтительно от 3 до 10 массовых процентов бария в расчете на общую массу впускного слоя катализатора.

Предпочтительно барий присутствует в виде ВаСО₃. Такой материал может быть получен любым способом, известным в данной области техники, например, путем пропитки по влагоемкости или распылительной сушки.

Неорганический оксид впускного слоя предпочтительно представляет собой оксид элементов групп 2, 3, 4, 5, 13 и 14. Неорганический оксид впускного слоя предпочтительно выбирают из группы, состоящей из: оксидов алюминия, церия, магния, кремния, ниобия, лантана, циркония, неодима, празеодима и их смешанных оксидов или композитных оксидов. Особенно предпочтительно неорганический оксид впускного слоя представляет собой алюминий, композитный оксид лантан а/алюминия или композитный оксид магния/алюминия. Один особенно предпочтительный неорганический оксид впускного слоя представляет собой композитный оксид лантана/алюминия или композитный оксид магния/алюминия. Неорганический оксид впускного слоя может представлять собой материал подложки для палладиевого компонента впускного слоя и/или для щелочного или щелочноземельного металла впускного слоя.

Площадь свежей поверхности предпочтительных неорганических оксидов впускного слоя предпочтительно составляет более 80 м²/г, объемы пор находятся в диапазоне от 0,1 до 4 мл/г. Особенно предпочтительными являются неорганические оксиды с высокой площадью поверхности, площадь поверхности которых составляет более 100 м²/г, например глинозем с высокой площадью поверхности. Другие предпочтительные неорганические оксиды впускного слоя включают в себя композитные оксиды лантана/алюминия, необязательно дополнительно содержащие церий-содержащий компонент, например церий. В таких случаях церий может присутствовать на поверхности композитного оксида лантана/алюминия, например, в виде покрытия.

Массовое соотношение материала OSC впускного слоя и неорганического оксида впускного слоя может составлять не более 10:1, предпочтительно не более 8:1 или 5:1, более предпочтительно не более 4:1 или 3:1, наиболее предпочтительно не более 2:1.

В альтернативном варианте массовое соотношение материала OSC впускного слоя и неорганического оксида впускного слоя может составлять от 10:1 до 1:10, предпочтительно от 8:1 до 1:8 или от 5:1 до 1:5; более предпочтительно от 4:1 до 1:4 или от 3:1 до 1:3; и наиболее предпочтительно от 2:1 до 1:2.

Выпускной слой катализатора может по существу не содержать металлы PGM, отличные от родиевого компонента выпускного слоя.

Выпускной слой катализатора может содержать 1-20 г/фут³ родиевого или платино-родиевого компонента выпускного слоя. Предпочтительно выпускной слой катализатора может содержать 2-15 г/фут³, более предпочтительно 3-10 г/фут³ родиевого или платино-родиевого компонента выпускного слоя, причем массовое соотношение платины и родия может составлять от 20:1 до 1:20, предпочтительно от 15:1 до 1:15, более предпочтительно от 10:1 до 1:10.

Общая нагрузка покрытия из пористого оксида на выпускной слой катализатора может составлять от 0,1 до 3,5 г/дюйм³. Предпочтительно общая нагрузка покрытия из пористого оксида на выпускной слой катализатора составляет от 0,5 до 3 г/дюйм³, наиболее предпочтительно общая нагрузка покрытия из пористого оксида на выпускной слой катализатора составляет от 0,6 до 2 г/дюйм³.

Выпускной слой катализатора может дополнительно содержать материал режима накопления кислорода выпускного слоя (OSC), щелочной компонент или компонент щелочноземельного металла выпускного слоя и/или неорганический оксид выпускного слоя.

Материал OSC выпускного слоя предпочтительно выбирают из группы, состоящей из оксида церия, оксида циркония, смешанного оксида церия-циркония и смешанного оксида алюминия-церия-циркония. Более предпочтительно материал OSC выпускного слоя предпочтительно содержит смешанный оксид церия-циркония. Смешанный оксид церия-циркония может дополнительно содержать некоторые легирующие добавки, такие как лантан, неодим, празеодим, иттрий и т.д.

Молярное соотношение циркония и церия смешанного оксида церия-циркония может составлять по меньшей мере 50:50, предпочтительно более 60:40, более предпочтительно более 80:20. Кроме того, материал OSC выпускного слоя может функционировать в качестве материала подложки для родиевого компонента выпускного слоя.

Материал OSC выпускного слоя (например, основной объем церия) может составлять от 10 до 90 мас. %, предпочтительно 25-75 мас. %, более предпочтительно 35-65 мас. % в расчете на общую нагрузку покрытия из пористого оксида на выпускной слой катализатора.

Нагрузка материала OSC выпускного слоя в выпускном слое катализатора может составлять менее 1,5 г/дюйм³. В некоторых вариантах осуществления нагрузка материала OSC выпускного слоя в выпускном слое катализатора составляет не более 1,2 г/дюйм³, 1,1 г/дюйм³ или 1,0 г/дюйм³.

Щелочной или щелочноземельный металл выпускного слоя предпочтительно представляет собой барий или стронций. Предпочтительно барий или стронций, в случае присутствия, присутствует в количестве от 0,1 до 15 массовых процентов и более предпочтительно от 3 до 10 массовых процентов бария в расчете на общую массу выпускного слоя катализатора.

Предпочтительно барий присутствует в виде ВаСО₃. Такой материал может быть получен любым способом, известным в данной области техники, например путем пропитки по влагоемкости или распылительной сушки.

Выпускной слой катализатора предпочтительно по существу не содержит щелочной или щелочноземельный металл выпускного слоя. Более предпочтительно выпускной слой катализатора по существу не содержит щелочной или щелочноземельный металл выпускного слоя.

Неорганический оксид выпускного слоя предпочтительно представляет собой оксид элементов групп 2, 3, 4, 5, 13 и 14. Неорганический оксид выпускного слоя предпочтительно выбирают из группы, состоящей из: оксидов алюминия, церия, магния, кремния, ниобия, лантана, циркония, неодима, празеодима и их смешанных оксидов или композитных оксидов. Особенно предпочтительно неорганический оксид выпускного слоя представляет собой алюминий, композитный оксид лантана/алюминия или композитный оксид магния/алюминия. Один особенно предпочтительный неорганический оксид выпускного слоя представляет собой композитный оксид лантана/алюминия или композитный оксид магния/алюминия или циркония/алюминия. Неорганический оксид выпускного слоя может представлять собой материал подложки для родиевого компонента выпускного слоя.

Массовое соотношение материала OSC выпускного слоя и неорганического оксида выпускного слоя может составлять не более 10:1, предпочтительно не более 8:1 или 5:1, более предпочтительно не более 4:1, наиболее предпочтительно не более 3:1.

В альтернативном варианте массовое соотношение материала OSC выпускного слоя и неорганического оксида выпускного слоя может составлять от 10:1 до 1:10, предпочтительно от 8:1 до 1:8 или от 5:1 до 1:5; более предпочтительно от 4:1 до 1:4; и наиболее предпочтительно от 3:1 до 1:3.

В некоторых вариантах осуществления массовое соотношение родиевого компонента выпускного слоя и палладиевого компонента впускного слоя составляет от 60:1 до 1:60. Предпочтительно массовое соотношение родиевого компонента выпускного слоя и палладиевого компонента впускного слоя составляет от 30:1 до 1:30. Более предпочтительно массовое соотношение родиевого компонента выпускного слоя и палладиевого компонента впускного слоя составляет от 20:1 до 1:20. Наиболее предпочтительно массовое соотношение родиевого компонента выпускного слоя и палладиевого компонента впускного слоя составляет от 15:1 до 1:15.

Каталитическое изделие по настоящему изобретению может содержать дополнительные компоненты, известные специалисту в данной области техники. Например, композиции изобретения могут дополнительно содержать по меньшей мере одно связующее вещество и/или по меньшей мере одно поверхностно-активное вещество. При наличии связующего вещества предпочтительными являются диспергируемые связующие вещества на основе глинозема.

Предпочтительно подложка представляет собой проточный монолит или бензиновый фильтр для улавливания частиц с проточными стенками. Более предпочтительно подложка представляет проточный монолит.

Длина подложки может составлять менее 100 мм, предпочтительно от 50 до 90 мм.

Проточная монолитная подложка имеет первую грань и вторую грань, образующие между собой продольное направление. Проточная монолитная подложка имеет множество каналов, проходящих между первой гранью и второй гранью. Множество каналов проходят в продольном направлении и обеспечивают множество внутренних поверхностей (например, поверхностей стенок, образующих каждый канал). Каждый из множества каналов имеет отверстие на первой грани и отверстие на второй грани. Для предотвращения путаницы отметим, что проточная монолитная подложка не является фильтром с проточными стенками.

Первая грань, как правило, находится на впускном конце подложки, а вторая грань находится на выпускном конце подложки.

Каналы могут иметь постоянную ширину, и каждое множество каналов может иметь равномерную ширину канала.

В пределах плоскости, перпендикулярной продольному направлению, монолитная подложка предпочтительно имеет от 100 до 900, предпочтительно от 300 до 750 каналов на квадратный дюйм. Например, на первой грани плотность открытых первых каналов и закрытых вторых каналов составляет от 300 до 750 каналов на квадратный дюйм. Поперечные сечения каналов могут иметь прямоугольную, квадратную, круглую, овальную, треугольную, шестиугольную или другие многоугольные формы.

Монолитная подложка выступает в качестве материала подложки, на котором удерживается каталитический материал. Подходящие материалы для формирования монолитной подложки включают в себя керамоподобные материалы, такие как кордиерит, карбид кремния, нитрид кремния, оксид циркония, муллит, сподумен, оксид алюминия-кремния-магния или силикат циркония или пористый тугоплавкий металл. Такие материалы и их применение для изготовления пористых монолитных подложек хорошо известны в данной области техники.

Следует отметить, что проточная монолитная подложка, описанная в настоящем документе, представляет собой один компонент (т.е. одну плитку). Тем не менее при формировании системы очистки выбросов используемый монолит может быть сформирован путем склеивания друг с другом множества каналов или путем склеивания друг с другом множества монолитов меньшего размера, как описано в настоящем документе. Такие способы хорошо известны в данной области техники, как и подходящие корпуса и конфигурации системы очистки выбросов.

В вариантах осуществления, в которых каталитическое изделие по настоящему изобретению содержит керамическую подложку, керамическая подложка может быть изготовлена из любого подходящего огнеупорного материала, например оксида алюминия, диоксида кремния, оксида титана, оксида церия, оксида циркония, оксида магния, цеолитов, нитрида кремния, карбида кремния, силикатов циркония, силикатов магния, алюмосиликатов и металлоалюмосиликатов (таких как кордиерит и сподумен) или смеси или смеси оксидов любых двух или более из них. Наиболее предпочтительными являются кордиерит, алюмосиликат магния и карбид кремния.

В вариантах осуществления, в которых каталитическое изделие по настоящему изобретению содержит металлическую подложку, металлическая подложка может быть изготовлена из любого подходящего металла, и в частности из термостойких металлов и металлических сплавов, таких как титан и нержавеющая сталь, а также из ферритовых сплавов, содержащих железо, никель, хром и/или алюминий в дополнение к другим примесям металлов.

Как показано на фиг. 1, впускной слой катализатора полностью нанесен/осажден непосредственно на подложку. Выпускной слой катализатора частично нанесен/осажден непосредственно на подложку и частично нанесен/осажден на верхнюю часть впускного слоя катализатора. Таким образом, средняя зона содержит как впускной слой катализатора, так и выпускной слой катализатора.

Как показано на фиг. 2, выпускной слой катализатора полностью нанесен/осажден непосредственно на подложку. Впускной слой катализатора частично нанесен/осажден непосредственно на подложку и частично нанесен/осажден на верхнюю часть выпускного слоя катализатора. Таким образом, средняя зона содержит как выпускной слой катализатора, так и впускной слой катализатора.

Другой аспект настоящего описания относится к способу очистки выхлопного газа автомобиля, содержащего NO_x, СО и НС, с применением описанного в настоящем документе каталитического изделия. Каталитические нейтрализаторы, оснащенные TWC, изготовленные в соответствии с настоящим изобретением, не только обладают улучшенными или сопоставимыми каталитическими характеристиками по сравнению с обычным TWC, но и демонстрируют значительное улучшение противодавления (например, см. примеры 1 и 2 и таблицы 1 и 2).

Другой аспект настоящего описания относится к системе очистки выхлопного газа автомобиля, содержащей описанное в настоящем документе каталитическое изделие в сочетании с каналом для пропускания выхлопного газа через систему.

ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Термин «покрытие из пористого оксида» хорошо известен специалистам в данной области техники и относится к прикрепленному покрытию, которое обычно наносят на подложку во время изготовления катализатора.

В настоящем документе сокращение «РОМ» обозначает «металл платиновой группы». Термин «металл платиновой группы» по существу относится к металлу, выбранному из группы, состоящей из Ru, Rh, Pd, Os, Ir и Pt, предпочтительно металлу, выбранному из группы, состоящей из Ru, Rh, Pd, Ir и Pt. В общем случае термин «PGM» предпочтительно относится к металлу, выбранному из группы, состоящей из Rh, Pt и Pd.

Используемый в настоящем документе термин «смешанный оксид» по существу относится к смеси оксидов в одной фазе, как традиционно известно в данной области техники. Используемый в настоящем документе термин «композитный оксид» по существу относится к композиции оксидов, имеющих более одной фазы, как традиционно известно в данной области техники.

Выражение «состоит по существу» в настоящем документе ограничивает объем признака посредством включения в него указанных материалов или этапов и любых других материалов или этапов, которые не оказывают существенного влияния на основные характеристики такого признака, например незначительные примеси. Выражение «состоит по существу из» включает в себя выражение «состоит из».

Выражение «по существу не содержит», используемое в настоящем документе со ссылкой на материал, как правило, в контексте содержимого области, слоя или зоны означает, что данный материал применяется в небольшом количестве, таком как ≤5 мас. %, предпочтительно ≤2 мас. %, более предпочтительно ≤1 мас. %. Выражение «по существу не содержит» включает в себя выражение «не содержит».

Выражение «по существу не содержит», используемое в настоящем документе со ссылкой на материал, как правило, в контексте содержимого области, слоя или зоны означает, что данный материал применяют в следовом количестве, таком как ≤1 мас. %, предпочтительно ≤0,5 мас. %, более предпочтительно ≤0,1 мас. %. Выражение «по существу не содержит» включает в себя выражение «не содержит».

Любая ссылка на какое-либо количество, в частности на общее количество легирующей добавки, выраженное в мас. %, в настоящем документе относится к массе материала подложки или его огнеупорному оксиду металла.

Используемый в настоящем документе термин «нагрузка» относится к мере, измеряемой в г/фут³ в пересчете на массу металла.

Представленные ниже примеры только иллюстрируют изобретение. Специалистам в данной области будет очевидно множество вариантов, которые находятся в пределах сущности изобретения и объема формулы изобретения.

ПРИМЕРЫ

Материалы

Все материалы доступны в продаже и были получены от известных поставщиков, если не указано иное.

Катализатор 1 (сравнительный)

Катализатор 1 представляет собой коммерческий тройной (Pd-Rh) катализатор с двухслойной структурой (например, как показано на фиг. 3). Нижний слой состоит из Pd, нанесенного на покрытие из пористого оксида, состоящего из первого смешанного оксида CeZr, La-стабилизированного глинозема и промотора Ва. Нагрузка покрытия из пористого оксида в нижнем слое составляла около 2,2 г/дюйм³, нагрузка Pd составляла 75 г/фут³. Верхний слой состоит из Rh, нанесенного на покрытие из пористого оксида, состоящего из второго смешанного оксида CeZr, La-стабилизированного глинозема. Нагрузка покрытия из пористого оксида в верхнем слое составляла около 1,6 г/дюйм³, при этом нагрузка Rh составляла 5 г/фут³. Общая нагрузка покрытия из пористого оксида в катализаторе 1 составляла около 3,8 г/дюйм³.

Катализатор 2

В соответствии с настоящим изобретением был приготовлен катализатор 2. Нижний слой состоит из Pd, нанесенного на покрытие из пористого оксида, состоящего из смешанного оксида CeZr впускного слоя, La-стабилизированного глинозема и промотора Ва. Нагрузка покрытия из пористого оксида в нижнем слое составляла около 2,2 г/дюйм³, нагрузка Pd составляла 75 г/фут³. Верхний слой состоит из Rh, нанесенного на покрытие из пористого оксида, состоящего из смешанного оксида CeZr выпускного слоя, La-стабилизированного глинозема. Нагрузка покрытия из пористого оксида в верхнем слое составляла около 1,6 г/дюйм³, при этом нагрузка Rh составляла 5 г/фут³. Общая нагрузка покрытия из пористого оксида в катализаторе 2 (средняя зона) составляла около 3,8 г/дюйм³.

Конечную суспензию нижнего слоя, содержащую Pd, покрывали от впускной поверхности той же подложки, что и сравнительный катализатор 1, с помощью стандартных процедур нанесения покрытия с целевой глубиной покрытия, составляющей 80% от длины подложки, высушивали при 90°С. Затем суспензию верхнего слоя, содержащую Rh, покрывали от выпускной поверхности подложки, содержащей высушенный нижний слой, с помощью стандартных процедур нанесения покрытия с целевой глубиной покрытия, составляющей 80% от длины подложки, а затем высушивали при 90°С и прокаливали при 500°С в течение 45 мин.

Катализатор 3

В соответствии с настоящим изобретением был приготовлен катализатор 3. Нижний слой состоит из Pd, нанесенного на покрытие из пористого оксида, состоящего из смешанного оксида CeZr впускного слоя, La-стабилизированного глинозема и промотора Ва. Нагрузка покрытия из пористого оксида в нижнем слое составляла около 1,9 г/дюйм³, нагрузка Pd составляла 75 г/фут³. Верхний слой состоит из Rh, нанесенного на покрытие из пористого оксида, состоящего из смешанного оксида CeZr выпускного слоя, La-стабилизированного глинозема. Нагрузка покрытия из пористого оксида в верхнем слое составляла около 1,5 г/дюйм³, причем нагрузка Rh составляла 5 г/фут³. Общая нагрузка покрытия из пористого оксида катализатора 3 (средняя зона) составила около 3,4 г/дюйм³.

Конечную суспензию нижнего слоя, содержащую Pd, покрывали от впускной поверхности той же подложки, что и сравнительный катализатор 1, с помощью стандартных процедур нанесения покрытия с целевой глубиной покрытия, составляющей 80% от длины подложки, высушивали при 90°С. Затем суспензию верхнего слоя, содержащую Rh, покрывали от выпускной поверхности подложки, содержащей высушенный нижний слой, с помощью стандартных процедур нанесения покрытия с целевой глубиной покрытия, составляющей 80% от длины подложки, а затем высушивали при 90°С и прокаливали при 500°С в течение 45 мин.

Катализатор 4

В соответствии с настоящим изобретением был приготовлен катализатор 4. Нижний слой состоит из Pd, нанесенного на покрытие из пористого оксида, состоящего из смешанного оксида CeZr впускного слоя, La-стабилизированного глинозема и промотора Ва. Нагрузка покрытия из пористого оксида в нижнем слое составляла около 1,7 г/дюйм³, причем нагрузка Pd составляла 75 г/фут³. Верхний слой состоит из Rh, нанесенного на покрытие из пористого оксида, состоящего из смешанного оксида CeZr выпускного слоя, La-стабилизированного глинозема. Нагрузка покрытия из пористого оксида в верхнем слое составляла около 1,3 г/дюйм³, причем нагрузка Rh составляла 5 г/фут³. Общая нагрузка покрытия из пористого оксида в катализаторе 4 (средняя зона) составляла около 3,0 г/дюйм³.

Конечную суспензию нижнего слоя, содержащую Pd, покрывали от впускной поверхности той же подложки, что и сравнительный катализатор 1, с помощью стандартных процедур нанесения покрытия с целевой глубиной покрытия, составляющей 80% от длины подложки, высушивали при 90°С. Затем суспензию верхнего слоя, содержащую Rh, покрывали от выпускной поверхности подложки, содержащей высушенный нижний слой, с помощью стандартных процедур нанесения покрытия с целевой глубиной покрытия, составляющей 80% от длины подложки, а затем высушивали при 90°С и прокаливали при 500°С в течение 45 мин.

Экспериментальные результаты

Пример 1

Сравнительный катализатор 1 и катализаторы 2-4 подвергали стендовому выдерживанию в течение 200 часов с четырьмя циклами старения в режиме с максимальной температурой около 980°С. Выбросы транспортных средств осуществляли на коммерческом транспортном средстве с 1,4-литровым двигателем. Выбросы измеряли до и после применения катализатора.

Как показано в таблице 1, катализатор 4 продемонстрировал сравнимые или даже улучшенные каталитические характеристики (например, см. улучшенные характеристики, связанные с выбросом THC/NMHC, от 0,047/0,031 г/км до 0,042/0,026 г/км, соответственно с улучшением на 11% и 16%, при сравнении катализатора 4 со сравнительным катализатором 1), даже при более низкой общей нагрузке покрытия из пористого оксида, составляющей около 80% таковой в сравнительном катализаторе 1.

Пример 2

Сравнительный катализатор 1, катализатор 2 и катализатор 4 наносили на подложку одного и того же типа с одинаковым числом ячеек на квадратный дюйм (cpsi) и одинаковыми размерами, оценивали на противодавление в холодном потоке при расходе воздуха 200 м³/ч, 300 м³/ч, 400 м³/ч и 600 м³/ч.

Процентное увеличение противодавления на непокрытой подложке для сравнительного катализатора 1, катализатора 2 и катализатора 4 показано в таблице 2. Эти данные показывают, что катализатор 4 с несколькими зонами значительно меньше способствует противодавлению, чем стандартный двухслойный пример катализатора 1.

Изобретение относится к системам очистки отработанных газов двигателей внутреннего сгорания. Предложены трехходовое каталитическое изделие и способ его применения в системе выпуска. Каталитическое изделие для очистки выхлопного газа, содержащее: подложку, содержащую впускной конец и выпускной конец, с осевой длиной L; впускной слой катализатора, начинающийся у впускного конца и проходящий на расстояние меньше осевой длины L, причем впускной слой катализатора содержит палладиевый компонент впускного слоя; выпускной слой катализатора, начинающийся у выпускного конца и проходящий на расстояние меньше осевой длины L, причем выпускной слой катализатора содержит родиевый компонент выпускного слоя; и при этом выпускной слой катализатора перекрывается с впускным слоем катализатора. 13 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл.

1. Каталитическое изделие для очистки выхлопного газа, содержащее:

подложку, содержащую впускной конец и выпускной конец, с осевой длиной L;

впускной слой катализатора, начинающийся у впускного конца и проходящий на расстояние меньше осевой длины L, причем впускной слой катализатора содержит

палладиевый компонент впускного слоя;

выпускной слой катализатора, начинающийся у выпускного конца и проходящий на расстояние меньше осевой длины L, причем выпускной слой катализатора содержит родиевый компонент выпускного слоя, и причем выпускной слой катализатора по существу не содержит металлы PGM, отличные от родиевого компонента выпускного слоя; и

при этом выпускной слой катализатора перекрывается с впускным слоем катализатора.

2. Каталитическое изделие по п. 1, отличающееся тем, что впускной слой катализатора проходит на расстояние 50–99 процентов осевой длины L.

3. Каталитическое изделие по п. 1 или 2, отличающееся тем, что выпускной слой катализатора проходит на расстояние 50–99 процентов осевой длины L.

4. Каталитическое изделие по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что выпускной слой катализатора перекрывается с впускным слоем катализатора на 5–90 процентов осевой длины L.

5. Каталитическое изделие по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что выпускной слой катализатора перекрывается с впускным слоем катализатора на 40–80 процентов осевой длины L.

6. Каталитическое изделие по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что впускной слой катализатора по существу не содержит металлы PGM, отличные от палладиевого компонента впускного слоя.

7. Каталитическое изделие по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что впускной слой содержит вплоть до 300 г/фут³ палладиевого компонента впускного слоя.

8. Каталитическое изделие по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что выпускной слой содержит 1–20 г/фут³ родиевого компонента выпускного слоя.

9. Каталитическое изделие по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что впускной слой катализатора дополнительно содержит материал для накопления кислорода (OSC) впускного слоя, щелочной компонент или компонент щелочноземельного металла впускного слоя и/или неорганический оксид впускного слоя.

10. Каталитическое изделие по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что выпускной слой катализатора дополнительно содержит материал для накопления кислорода (OSC) выпускного слоя и/или неорганический оксид выпускного слоя.

11. Каталитическое изделие по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что подложка представляет собой проточный монолит или фильтр с проточными стенками.

12. Каталитическое изделие по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что длина подложки составляет менее 100 мм.

13. Каталитическое изделие по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что впускной слой катализатора нанесен/осажден непосредственно на подложку.

14. Каталитическое изделие по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что выпускной слой катализатора нанесен/осажден непосредственно на подложку.