[发明专利]使用纳米颗粒的三效催化转化器

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年11月21日提交的美国临时专利申请No.61/729,177、2012年11月21日提交的美国临时专利申请No.61/729,227、2012年12月10日提交的美国临时专利申请No.61/735,529和2013年3月13日提交的美国专利申请No.13/801,726的优先权权益。通过引用将所有这些申请的全部内容并入本文中。

本发明技术领域

本公开内容涉及催化剂、用于气体处理的包含纳米颗粒的基质及其制备方法的领域。更具体而言，本公开内容涉及用于三效催化转化器的包含纳米材料的基质。

背景

汽车废气通常包含环境和生物有害的组合物，包括烃、一氧化碳和氮氧化物。这些组合物中的一些来自汽油或其它燃料的不完全燃烧。这些组合物通常在发动机的高温环境中形成。

催化转化器用于将这些环境和生物有害组合物转化成较少或者非环境有害组合物，例如二氧化碳、水、氮气和氧气。催化转化器通常包含用含催化剂载体涂层(washwoat)涂覆的催化转化器芯。催化转化器的芯通常包含提供大表面积以负载催化剂的栅格阵列结构。载体涂层通常包含二氧化硅和氧化铝，其提供用于活性贵金属催化剂的甚至更大表面积。活性贵金属催化剂通常包含铂、钯和铑。也具有催化活性的其它金属也可用作催化剂，例如铈、铁、锰和镍。

两类催化转化器通常是有效的，双效和三效催化转化器。三效催化转化器广泛用于汽油机上以降低烃、一氧化碳和氮氧化物的排放。借助活性催化剂，将一氧化碳和烃氧化并转化成二氧化碳，并将氮氧化物还原并转化成氮气，如以下等式中所示。

2CO+O₂→2CO₂

C_xH_2x+2+[(3x+1)/2]O₂→xCO₂+(x+1)H₂O

2NO+2CO→2CO₂+N₂

C_xH_2x+2+(3x+1)NO→xCO₂+(x+1)H₂O+[(3x+1)/2]N₂

传统上，三效催化转化器通过分别在一个容器中将氧化贵金属如铂或钯与氧化铝、水和其它组分混合而制备淤浆，并在第二容器中将还原贵金属如铑与氧化铈锆、水和其它组分混合而制备第二淤浆。淤浆通常称为氧化和还原载体涂料。将可以为圆柱形且具有栅格阵列结构的陶瓷整体制品(ceramic monolith)浸入载体涂料中的一种中以在陶瓷整体结构上形成第一催化层。在干燥和煅烧以后，将陶瓷整体制品浸入另一载体涂层中以在陶瓷整体制品上形成第二层。将包含两个载体涂层的陶瓷整体制品安装在催化转化器的壳中，将其与发动机连接以处理废气。

通过传统方法制备的催化转化器遭遇问题。一个大问题是传统催化剂由于暴露在高温废气下，随时间过去而老化。在正常操作期间，典型汽油机催化转化器内的温度可达到1,000℉，或者在一些情况下甚至更高。这些高温赋予载体涂层中的贵金属纳米颗粒提高的迁移率—这导致这些颗粒更快地移动通过载体涂层。当贵金属纳米颗粒由于它们移动通过载体涂层而彼此相遇时，它们可以以称为“老化”的现象烧结或聚结成较大的金属颗粒。该老化现象导致贵金属的有效反应性表面损失。因此，通过老化，催化转化器变得较无效，熄灯温度(light-off temperature)开始提高，且排放水平开始提高。

老化现象是在使用三效催化转化器的汽油机中比可使用双效催化转化器的柴油机中甚至更多的问题。这是因为汽油废气的废气温度高于柴油废气的温度。另外，三效催化转化器必须处理氧化和还原催化剂的老化。为对抗这些老化效应，催化转化器生产商可提高起初存在于催化转化器中的贵金属颗粒的量。然而，提高转化器中贵金属的量是昂贵且浪费的。

因此，需要制备三效活性催化材料的更好材料和方法。

概述

描述了用于三效催化转化器中的涂覆基质。涂覆基质降低烦扰典型三效催化转化器的老化现象的速率。这容许使用这些基质的三效催化转化器的氧化和还原活性在暴露于汽油废气的高温环境下时保持稳定。