[发明专利]陶瓷催化剂体及陶瓷载体

说明书

技术领域

本发明涉及一种净化汽车发动机等排放废气的催化剂中担载催化剂组分的陶瓷载体(ceramic carrier)以及陶瓷催化剂体(ceramic catalystbody)。

背景技术

净化排放废气(exhaust gas)用的催化剂，是在具有高抗热冲击性能的、堇青石制备的整体式载体(monolith carrier)上涂覆γ-氧化铝，然后担载贵金属催化剂制成的。之所以使用涂层，是由于堇青石的比表面积相对于担载所需催化剂组分的数量而言太小了。因此，采用具有大比表面积的物质如γ-氧化铝来提高载体的比表面积。

但是当载体通道管壁(cell wall)的表面涂覆γ-氧化铝后，由于载体的质量增加，其热容(heat capacity)也随之增加。近来，已经从生产薄壁通道以降低热容的角度进行了研究，以便及早地活化催化剂。但是这种努力的效果由于形成涂层而大打折扣。而且还存在这样的问题，即通道横截面的缩小增加了压力损失，同时热膨胀系数比只用堇青石制成的载体更大。

由于上述背景，本发明者曾提出过一种陶瓷载体，该载体可以担载所需数量的催化剂组分，而无需形成增加比表面积的涂层(日本特许公开2000-104994)。尽管也进行通过酸处理或者热处理造成个别组分被洗提、从而增加堇青石本身的比表面积(例如日本特许5-503338)的研究，但是这种方法并不实际，因为酸处理或者热处理会破坏堇青石的晶格结构，导致机械强度的降低。

发明内容

本发明的目的是改进上述陶瓷载体，提供一种催化性能得到改进的和具有较高实用价值的陶瓷载体和陶瓷催化剂体。

按照本发明的第一个方面，陶瓷催化剂体包括能够将催化剂直接担载在陶瓷基质(ceramic substrate)表面上的陶瓷载体，和由这种陶瓷载体担载的催化剂组分；在这种载体上，将气流最大的中间部分单位体积所担载的催化剂数量调整为周边部分的1.1倍或更大。通过将更多的催化剂担载于载体中气流最大的中间部分，可以改进排放气体的净化率(purification ratio)。

根据本发明的第二个方面，这种陶瓷催化剂包括能够将催化剂直接担载在陶瓷基质表面上的陶瓷载体，在这种载体上，气流最大的载体中间部分单位体积的表面积被调整为周边部分的1.1倍或更大。通过控制陶瓷载体的比表面积，也可以获得类似于第一方面的效果，采用中间部分表面积增加了的陶瓷载体担载催化剂，可以改进排放气体的净化率。

根据本发明的第三个方面，具有上面第二个方面中所述构造(constitution)的载体，其中间部分表面积可以如此增加，例如使整体式(monolith)载体的中间部分具有较高的通道密度(cell density)，或者是制成多边形或圆形的通道(cell)。相反，载体的周边部分可以具有较低的通道密度，或者是制成矩形、六边形或三角形的通道。

根据本发明的第四个方面，若进气管在陶瓷载体上的投射面积(projection area)以S代表，则载体的中间部分是指横截面积为投射面积S的1.1～2倍的区域，并以进气管投射的中心为中心部位。由于气流的大流量区或高流速区在上述区域内会随发动机运转状况而有所变化，因此载体的中间部分和周边部分也可以参照该范围按照所需的性能进行调整。

根据本发明的第五个方面，陶瓷催化剂包括能够将催化剂直接担载在陶瓷基质表面上的陶瓷载体，其中催化剂总量的50％或者以上集中在载体上游端到全长的1/4～1/3处。由于上游端到全长的1/4～1/3处是催化反应开始发生之处，因此增加此处催化剂的密度，可以增强催化反应。

根据本发明的第六个方面，陶瓷催化剂包括能够将催化剂直接担载在陶瓷基质表面上的陶瓷载体，和由该陶瓷载体担载的催化剂组分；其中，具有高热稳定性的催化剂分布在进气(incoming gas)的上游，而具有低热稳定性的催化剂分布在其下游。在使用多种催化剂的情况下，通过将具有高热稳定性的催化剂分布在进气的上游、而具有低热稳定性的催化剂分布在进气的下游，可以避免催化剂的劣化。

根据本发明的第七个方面，如上所述的具有高热稳定性的催化剂是50％净化率的、入口温度不超过300℃的催化剂；具有低热稳定性的催化剂是50％净化率的、入口温度不低于350℃的催化剂。通过这样多种催化剂的组合，很容易实现第六方面的效果。