[发明专利]钙钛矿催化剂的洗覆技术

说明书

技术领域

本发明涉及一种在适用于催化反应的基底上钙钛矿催化剂组合物的形成和相应的应用。更具体地讲，本发明涉及一种在催化剂载体结构上、例如用来氧化汽车发动机废气成分的载体结构上形成并涂覆该催化剂组合物的方法。

背景技术

为了改善燃料的经济性，柴油发动机、一些汽油燃料发动机以及许多烃燃料发电厂在高于化学计量的空气与燃料质量比率的情况下操作。然而，这样的贫燃发动机及其它动力源就产生了具有相对高含量氧气和氮氧化物(统称为NO_x)的热废气。就柴油发动机来说，加热发动机产生的废气温度一般在200-400℃范围，并且具有以下常规组成：以体积计，约10％的氧气、1.6％的二氧化碳、0.1％的一氧化碳、180ppm的碳氢化合物、235ppm的NO_x以及余量的氮气和水。通常包含一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO₂)的NO_x气体由于在热废气流中的高氧气(O₂)含量而难以被还原成为氮气(N₂)。

贫燃操作发动机废气中NO_x成分的还原仍然是在贫燃发动机中实现高燃料效率的一个问题。两种不同的方法是有希望的：(a)存储废气流中的NO_x并且还原成氮以及(b)废气中加入氨以能够选择性催化还原。通过在总NO_x中增加NO₂比例显著地提高了在两种方法中除去NO_x的效率。由于发动机排出的NO_x通常包括少于10％的NO₂，氧化催化剂的NO氧化性能对综合处理NO_x的排放很重要。当前在柴油发动机的应用中，贵金属基催化剂是最通常被用来氧化NO_x的。但是这些铂族催化剂的缺陷是较高的材料成本和稳定性不足。

钙钛矿是通式为ABX₃的宽泛的一类化合物，其中‘A’和‘B’是两个具有悬殊尺寸的互补阳离子，并且X是键合到以上两者上的阴离子。一些钙钛矿组合物比如LaCoO₃因其对挥发性有机化合物的氧化活性而众所周知。本发明的目的是采用合适的钙钛矿材料作为氧化催化剂，例如用于贫燃发动机车辆废气处理的氧化催化剂。

分散于高表面积的氧化铝载体颗粒上的铂族金属已被施用在堇青石或碳化硅载体上作为涂层(称作“洗覆层”，Washcoat)，用来催化处理汽车的废气流。优选的当前方案是使用一种每平方英寸具有高达400个平行的、端口开放的气体孔道的蜂窝状、穿透式的挤出型堇青石载体，并且其具有约71％开放的正截面。所述的挤出型堇青石体可以具有圆形的或椭圆形的截面，对于反应具有合适的长度，将其插入废气流以使热废气穿过孔道，并且如预计的那样受到带有贵金属/氧化铝催化剂粒子的表面所影响。

本发明的另一个目的是提供一种在用于废气处理的载体上形成并且同时有效地涂覆钙钛矿催化剂材料(例如氧化催化剂)的颗粒涂层的方法。该目的包括(但不限于)在废气穿过式的陶瓷载体主体的小纵壁表面上原位形成并且涂覆钙钛矿催化剂材料的颗粒。

发明内容

本发明提供了一种将所需钙钛矿化合物的组成原子(离子)与分散在水基凝胶中的前体离子结合在一起的方法，所述的水基凝胶的流动性适于在催化剂载体表面上覆盖涂层。所述载体主体可以是例如用于废气处理的挤出的并焙烧过的堇青石蜂窝体，其具有许多端口开放的薄壁单元，其与挤出轴对齐。在本方案中，钙钛矿前体凝胶包含充足的水以流入几百个小单元的开放端口，并且将凝胶作为涂层分散在陶瓷体每一个单元壁表面上。

本发明的一个方案可以用一种典型的钙钛矿组合物LaCoO₃的制备来举例说明，该组合物用作将贫燃碳氢化合物燃料发动机废气中NO氧化成NO₂的催化剂。在本说明性的(而不是限制性的)实例中，制备一种基本上相等摩尔量的镧和钴的酸性盐的水溶液。适当地，该酸性盐包含氧。由于硝酸盐容易得到、低价以及水溶性而便于使用。例如，可以用等摩尔量的水合盐La(NO₃)₃·6H₂O和Co(NO₃)₂·6H₂O来制备水溶液。显然，在晶体结构中，镧和钴将作为钙钛矿的阳离子，并且氧作为阴离子。