[发明专利]用于处理废气的三元催化剂

说明书

                    发明的背景

本发明涉及用于处理废气的三元催化剂(three-way catalyst)。

三元转化(TWC)催化剂能够激活烃和一氧化碳(HC和CO)的氧化反应以及NO_x的还原反应。已知的三元催化剂包含一种或多种铂族金属，它分布在具有稳定氧化物(通常是加了Zr或Ce的氧化物的γ-A1₂O₃)形成良好的表面的基体(支撑体)上，以及一种或多种碱土金属Ba、Ca和Sr的氧化物。例如，参见美国专利No.4,171,288。基体是涂覆在载体上的，载体可以是陶瓷块(例如Coming Inc.的堇青石陶瓷)或Fe-Cr-Al的螺旋缠绕式金属箔或在铁质基体上的其它耐腐蚀材料。

已知三元催化剂除了含有铂族金属外，还含有一种或多种d-元素氧化物(参见美国专利No.4,552,733)，它的作用是通过在气流循环期间对氧气可转换的积累保持氧气可获得量，并且通过抑制有毒气体H₂S和NH₃的产生，从而提高铂族催化剂的效率。

可购得的三元催化剂有两个主要缺点。第一，它们通常包含数种贵金属(即Pt、Pd和Rh，或者有时是Pt和Rh)，成本既高又存在这些贵金属回收的严重技术问题。第二，现代发动机的废气温度很高，这就会加速对催化剂表面的结构和组成的热破坏，例如产生铝酸盐，导致催化效率随时间明显下降。

美国专利No.5,021,389揭示了一种三元催化剂。该催化剂具有四层结构：氧化铝基体，位于基体上的氧化镧不连续涂层，覆盖在经氧化镧涂覆的基体上的钯不连续涂层，以及在经钯涂覆的基体上的二氧化钛不连续涂层。据称该结构能够协同增强Pd的催化效率，通过使用低成本物质(二氧化钛)来得到较高的效率，这至少在理论上能降低催化剂的成本。

美国专利No.5,013,705揭示了一种三元催化剂，它是因为在组成中加入大量二氧化铈从而用钯代替价格昂贵的铂。

人们已经通过向基体组合物中加入热刺激剂(如锆石；碱土金属氧化物，如氧化钡、氧化钙或氧化锶，以及/或者稀土金属氧化物)来在一定程度上克服第二个缺点。参见美国专利No.4,171,288。此外，催化剂的多层结构也可以缓解这一问题，因为对一层的热破坏并不会破坏整个催化剂(例如参见美国专利No.5,063,192)

尽管人们已经在三元转化催化剂领域中作了许多改进工作，但是仍然需要一种成本既低、在高温下又稳定的催化剂。本发明的一个目的就是提供这样一种催化剂。

发明的概述

本发明的种种目的通过这样一种催化剂来实现。该催化剂包含催化剂载体、第一催化剂层和第二催化剂层，第一催化剂层和第二催化剂层以不连续层的形式形成于催化剂载体上，一层在另一层上面，第一层形成于催化剂载体和第二层之间。在本发明的催化剂中，第二层包含细碎的镍针状物(needles)，其比表面积超过100米²/克，在它上面是铂族金属。第一层将催化剂表面与下面的载体隔离开来，提供了氧气储存区(oxygen reservior)，宜含有磁铁矿、氧化铈和铼，第二层包含镍和铂族金属(如铑、钯，较好的是铂)。因此本发明提供了一种只需要一种铂族金属与较便宜的其它组分结合使用的催化剂。

附图的简要说明

图1是本发明三层催化剂结构的示意图。

发明的详细描述

图1是本发明催化剂的示意图。如图所示，催化剂包括催化剂载体10和两层催化剂层11和12。

本发明的催化剂载体10宜为堇青石、耐火陶瓷材料。

第一催化剂层11施加在催化剂载体10上面。该层将载体与第二催化剂层12分隔开来，提供了用于催化过程的氧气储存区。已知有多种组合物可以实现这些功能，这些组合物就可用于本发明。

用于层11的较佳组合物包括磁铁矿(Fe₃O₄)形式的铁、氧化铈形式的铈(CeO₂)和金属铼。这些物质中的每一种都在有效的三元催化剂中起着有效的催化作用。

磁铁矿促进CO的转化，并且一定程度上促进NO_x的转化。此外，磁铁矿有助于形成固态层，以便将第二层12的组分与催化剂载体10分隔开。

氧化铈与磁铁矿都是氧气载体，它们能促进浓的空气-燃料混合物中CO的氧化。氧化铈有防止催化剂热降解的作用，还因降低活化能而影响CO氧化反应的动力学，尤其是在低温下的反应动力学。