[发明专利]具有储氧能力的催化剂载体材料及其制造方法

说明书

本申请要求于2010年12月22日提交的标题为“NEW TYPE OFCATALYST SUPPORT MATERIALS WITH OXYGEN STORAGE CAPACITY(储氧能力)AND MAKING METHODS THEREOF”的美国临时申请序列号61/425,958的权益，其整个内容引入本文供参考。

领域

本公开内容总体上涉及无机复合物，特别是具有高储氧能力和高热稳定性的催化剂载体材料，以及它们的制造和应用。本公开内容的催化剂载体材料可以用作汽车发动机废气转化器中的三元催化剂(TWC)的洗涂层。

背景

用作TWC的常规洗涂层包括γ、δ和θ氧化铝或La稳定化氧化铝，具有储氧能力的Ce-ZrO₂和催化铂族金属，例如Pt、Pd和Rh的作为硝酸盐溶液引入的催化剂载体。洗涂层通过混合物淤浆或分离的一种涂在堇青石蜂窝状基材上而制备汽车废气转化器，该汽车废气转化器可以将来自车辆发动机废气的由一氧化碳(CO)、各种各类的氢碳化合物(HC)和氮氧化合物(NOx)构成的污染气氛的大部分改变成无害的二氧化碳CO₂、水H₂O和氮气N₂。

作为催化剂载体，大的新鲜比表面积(SSA)是必要的以提供尽可能多的催化活性部位，同时在高温下的热稳定性也是重要的以维持分离部位的催化活性的有效。高SSA和高度热稳定的La-氧化铝是典型的催化剂载体材料。

在TWC的组成中，氧化锆稳定化的氧化铈及其它氧化铈基氧化物在储氧方面发挥重要作用并在贫燃料和富燃料条件下释放，因此，能够实现CO和挥发性有机物的氧化和NOx的还原。高效率催化性能也与高比表面积和热稳定性以及高储氧能力有关。

纯氧化铈是好的储氧材料，但是其差的热稳定性限制它在高温下的应用。氧化锆稳定化的氧化铈(CeO₂-ZrO₂)与CeO₂相比具有改进的材料热稳定性和储氧能力。具有1∶1的Ce与Zr摩尔比的这种复合氧化物可以形式改进储氧能力(OSC)性能的具有立方体相的固体溶液Ce_0.5Zr_0.5O₂。虽然如此，这种材料的热稳定性不足够好。在高温下老化之后，例如，在1000℃下老化数小时之后，比表面积低于10m²/g。

氧化铝是CeO₂-ZrO₂的热稳定剂添加剂之一并且其它是碱土金属、稀土和硅元素或它们的混合物。在初期应用中，基于整个氧化物，通常控制总添加的稳定剂少于10wt％。在最新数年，将高达90wt％氧化铝添加到CeO₂-ZrO₂中以便改进热稳定性和储氧能力。

美国专利号6,133,194描述了Ce-Zr基储氧能力材料并显示氧化铝在Ce-Zr氧化物中的引入导致热稳定性和储氧能力改进。通常，将30-70％Ce-Zr氧化物与La-γ氧化铝和铂族金属(PGM)混合而制备在典型TWC应用中的洗涂层。氧化铈-氧化锆制造成本由于多得多的有机和/或水热过程的应用而比氧化铝高得多。因此，仍希望和需要提供具有高热稳定性和高储氧能力的新型催化剂载体材料以减少Ce-ZrO₂的使用或消除Ce-ZrO₂的使用。

概要

在满足上述需要，以及克服相关技术的所列举的缺点及其它限制时，本公开内容提供了具有储氧能力的催化剂载体及其制备方法。该催化剂组成比是x(Ce_1-wZr_wO₂)∶yM∶zL∶(1-x-y-z)Al₂O₃，其中Ce_1-wZr_wO₂是储氧组成，具有0.2-0.8的稳定剂ZrO₂比w和5-60wt％的x，M是用于储氧能力的相互作用促进剂，具有0-10wt％的y，L是载体Al₂O₃的稳定剂，具有0-10wt％的z。氧化铈-氧化锆及其它金属和稀土氧化物的重量百分率范围(x+y+z)相对于总氧化物是5-60％。通过将铂族金属(PGM)与催化剂载体结合，由其制得的新洗涂层将在用于汽车发动机废气转化器的三元催化剂的配方中要求更少或不要求Ce-ZrO₂氧化物。