[发明专利]具有上游-多层催化剂的三元催化体系

说明书

技术领域

本发明总体上涉及用于处理含有烃、一氧化碳和氮氧化物的气体流的层状催化剂。更确切地说，本发明是针对具有上游的一个以上催化层和位于下游的多层催化剂的三元转换（TWC）催化剂。

背景和现有技术

目前TWC催化剂用于来自奥托（Otto）发动机的车辆排放控制。该技术非常发达，在升温至超过250°C的操作温度后，CO、HC（烃）和NOx（氮氧化物）的减排能力>99%。典型的TWC催化剂配置由位于该车辆废气管线中的单块或多块系统组成。如果使用一种以上的催化剂，则这些催化剂可位于一个单一的转换器，对接在一起，或位于由一个定义的空间分隔的单独的转换器内。大型发动机常见的设计是在热紧密耦合（CC）的位置（接近歧管）有一个转换器，在冷却器底部（UB）位置有第二转换器。由于几乎所有的移动排放控制系统在本质上是被动的，升温至催化剂的操作温度的时间是至关重要的，如在EP1900416中所披露，其被依赖于且通过引用以其全文结合于此。

因此，CC催化剂的设计通常包括有利于快速加热的功能，如重量轻、体积小的基板（热惯性低），高单元密度（提高的质量与传热）以及高铂族金属（PGM，例如，铂、钯、铑、铼、钌和铱）负载。另一方面，UB催化剂可以具有更大的体积和更低的单元密度（更低压降），更通常包含低PGM负载。对于在高转速运转的较小的车辆，通常仅使用一个转换器，往往位于CC位置。催化剂置于接近歧管的一个缺点是增加了热分解和更快速的活性损失，特别是在高负载/高速的条件下，这会导致载体表面积或孔体积的损失以及PGM的快速烧结。

现代TWC催化剂使用各种策略来限制或减缓热分解，如PGM的高表面积稳定的氧化铝载体，添加能同时提高性能且以较慢速率分解的促进剂、稳定剂和先进的储氧组分（OSC）（参见例如US5672557，其被依赖且通过引用以其全文结合于此）。

在现有技术中，某些设计策略已经用于平衡性能与相关成本。这些策略包括选择PGM类型和分布、基板体积、单元密度、WC分层和各种WC层的组成。

TWC技术的一个重要的设计特点包括PGM和洗涂层（washcoat）（WC）组分的适当的分隔和配置，其中该洗涂层（WC）组分位于单独的WC层中和/或位于单独的块中（如果使用多块系统的话）。大多数现代的TWC催化剂可以有一个至更多个WC层，最常见的是2层体系，参见例如，EP1541220、US5981427、WO09012348、WO08097702、WO9535152、US7022646、US5593647，其被依赖且通过引用以其全文结合于此。

对于PGM，最常见的策略是Rh和任选的Pt组分位于顶层或第二WC层中，优选地Pd位于底层或第一WC层中（参见例如，US5593647）。对于单块通过分区也可以实现WC组分和PGMs的分隔，其中WC层的前或后区或部分可以包括不同的载体组分或不同的PGM组分或更常见的不同浓度的一种给定的PGM，如Pd。PGM分隔成层或区的一个优势是可以使用对于每个PGM更优化的载体和促进剂，以最大限度地提高整体性能。

本发明之前，研究人员被某些WC组合物配置所吸引，这些WC组成配置被传授为获得最佳性能的优选配置。因此，对于两层UB催化剂，Rh总是位于顶层（第二层）且也任选地存在Pt，而Pd位于第一层或底层（参见例如，US5593647）。另外，顶层（第二层）和底层（第一层）理想地同时含有高表面积的难熔氧化物载体，如γ或γ/θ/δ氧化铝并进一步添加促进剂、稳定剂和合适的储氧组分（OSC）。此WC设计由Sung等人，（US6087298）和Hu等人，（US6497851）详细描述，在此通过引用的目的结合在此。Sung等人和Hu等人还描述了CC催化剂的优选的WC组成和配置或位于废气流入口的区。因此，对于入口CC或入口（前）区，该WC设计优选不含OSC且由高表面积的难熔氧化物载体（如具有适当的稳定剂和添加剂的γ或θ/δ氧化铝）组成。另一方面，优选后催化剂、区或UB催化剂在底层和顶层具有OSC。例如，这些和其他特征由Hu等人描述并在其中引用。

在TWC催化剂领域内，新技术和WC配置和体系要求满足甚至更严格的排放标准，并需要延缓催化剂失活，并实现在低PGM负载下不断增加的性能。

发明概述