[发明专利]稳定的金属交换的SAPO材料

说明书

技术领域

本发明属于选择性催化还原催化剂材料领域。更具体地，本发明的实施方案涉及一种稳定的金属交换的SAPO材料。

背景

分子筛如沸石已广泛用于催化许多炼油厂中的化学反应和石油化学反应，并且用于催化、吸附、分离和层析。例如，关于沸石，合成沸石和天然沸石以及它们在促进某些反应，包括甲醇至烯烃的转化(MTO反应)和在氧气存在下利用还原剂如氨、尿素或碳氢化合物对氮氧化物的选择性催化还原(SCR)中的用途是本领域中已知的。沸石是具有相当均匀孔尺寸的晶体材料，取决于沸石的类型和包含在沸石晶格中的阳离子的类型和数量，其直径为约3埃至10埃。最近发现，具有8环孔开口和双六环次级结构单元的沸石，特别是具有笼状结构的那些沸石在用作SCR催化剂中是有意义的。具有这些特性的特定类型的沸石是菱沸石(CHA)，菱沸石是具有通过其三维孔隙率可接近的8元环孔开口(约3.8埃)的小孔沸石。笼状结构是由通过4个环将双六环结构单元连接而形成的。

用于SCR方法中的催化剂理想上应该能够在水热条件下在宽范围的使用温度条件如200℃至600℃或更高温度下保持良好的催化活性。水热条件在实践中经常遇到，如在烟尘过滤器的再生过程中，烟尘过滤器是用于除去颗粒的废气处理系统的一个部件。

使用氨或氨前体作还原剂的选择性催化还原被认为是用于从柴油车废气中除去氮氧化物的最可行的技术。在典型废气中，氮氧化物主要由NO(>90％)组成，因此SCR催化剂有利于NO和NH₃转化成氮气和水。开发将氨SCR方法用于汽车应用的催化剂的两个主要挑战是为SCR活性提供一个宽操作窗口(包括从200℃和更高的低温)和催化剂在高于500℃温度时的水热稳定性的改善。本文所用的水热稳定性指一种材料催化NO_x的SCR的能力的保持，其中在水热老化之前，倾向于保持材料的NO_x转化能力的至少85％。

用于氨对氮氧化物的选择性催化还原的金属促进沸石催化剂是已知的，尤其包括铁促进的和铜促进的沸石催化剂，其中，例如，金属通过离子交换引入。铁促进的沸石β已是用于氨对氮氧化物的选择性还原的有效催化剂。不幸地，已发现在严酷的水热条件下，如在温度超过500℃时废气中NO_x的还原，许多金属促进沸石如Cu和Fe型的ZSM-5和β的活性开始下降。这种活性下降被认为是由于沸石的去稳定作用如沸石内的脱铝和随之发生的含金属催化位点的损失。

为保持NO_x还原的单块体活性，必须提供铁促进沸石催化剂的增强水平的活化涂层载荷。当增加沸石催化剂的水平来提供充足的NO_x除去时，由于催化剂成本上升，NO_x除去过程的成本效率明显降低。

鉴于上述讨论的考虑因素，希望制备相比于现存的沸石材料，提供改进的低温SCR活性和/或改进的水热耐久性的材料，例如，在温度高达至少约650℃和更高，如在约700℃至约800℃和高达约900℃范围内时稳定的催化剂材料。另外，由于柴油发动机在短暂的条件下运转，希望提供在从低至200℃直至约600℃的宽温度范围内表现出高性能的材料。因此，虽然现存技术提供高温性能，但仍需要在主要为NO需求与水热稳定性结合方面能提供低温性能的材料。低温性能对于冷启动和低发动机载荷条件是重要的。

尽管硅磷酸铝(SAPO)材料用于NO_x的SCR吸引了一些兴趣，但这些材料的一个局限性是当在温度低于100℃下暴露在湿润或潮湿的环境中时，这些材料变得不稳定。因此，期望的是提供一种能提供极好的低温NO_x的SCR来满足当前政府(如，欧6)的NO_x规定的催化剂材料。此外，期望的是提供一种在低温、潮湿条件下不易广泛失活的SCR催化剂。

概述

本发明第一方面的实施方案涉及一种包含金属交换的、稳定的SAPO材料的选择性催化还原催化剂材料。在一个或多个实施方案中，金属交换的、稳定的SAPO材料包括多个可取代位点，该多个可取代位点基本上由Si(4Al)位点组成并且基本不含Si(0Al)位点。在一个或多个实施方案中，金属选自Cu、Fe、Co、Ce和Ni。在一个或多个实施方案中，催化剂材料在还原剂存在下在200℃与600℃之间的温度下有效催化氮氧化物的选择性催化还原。

根据一个或多个实施方案，多个可取代位点包括少于5％的Si(0Al)位点。在特定的实施方案中，多个可取代位点包括少于1％的Si(0Al)位点。