專利名稱：一種徑向梯度負(fù)載三效催化劑及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及汽車尾氣催化凈化領(lǐng)域，具體來(lái)說，涉及一種涂層材料沿徑向呈梯度負(fù)載的汽車尾氣凈化三效催化劑及其制備方法。
背景技術(shù)：
汽車排放污染物主要包括一氧化碳(CO)、碳?xì)浠衔?HC)、氮氧化物(NOx)，其嚴(yán)重污染大氣環(huán)境。特別是NOx與HC在紫外線照射下產(chǎn)生光化學(xué)煙霧和NOx形成酸雨均對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞作用。目前主要利用三效催化劑將汽車排放的污染物CO，HC和NOx轉(zhuǎn)化為無(wú)害的氮?dú)夂退ＨТ呋瘎┍话惭b在排氣系統(tǒng)的催化轉(zhuǎn)化器中，催化轉(zhuǎn)化器在其擴(kuò)張管段上，由于氣流的擴(kuò)散作用，導(dǎo)致催化轉(zhuǎn)化器中的氣流分布不均。催化劑軸線區(qū)域的氣流量大，而邊緣區(qū)域氣流量相對(duì)較小。目前三效催化劑的涂層材料均采用均勻負(fù)載的方式，這將導(dǎo)致催化劑邊緣區(qū)域不能充分發(fā)揮作用，從而造成涂層材料的浪費(fèi)。針對(duì)該問題，目前主要通過改變催化轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)或輔助設(shè)備使催化轉(zhuǎn)換器內(nèi)部氣流均勻，提高催化劑邊緣區(qū)域的利用率。如專利US2010/0050598A1和US3964875分別采用隔板分流和渦輪分流的方式使催化轉(zhuǎn)化器中的氣流均勻分布。上述裝置盡管能使催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)部氣流分布均勻，充分利用催化劑的邊緣區(qū)域，達(dá)到良好的催化凈化效果，但催化轉(zhuǎn)化器裝置體積大，成本高，且分流裝置會(huì)使排氣被壓增大，造成燃油的浪費(fèi)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的提供一種用于汽車尾氣凈化的三效催化劑及其制備方法，該催化劑在不降低催化活性的基礎(chǔ)上，可降低涂層材料的用量。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種徑向梯度負(fù)載三效催化劑，該催化劑包含具有規(guī)整結(jié)構(gòu)的載體及附著在載體表面的涂層材料，所述的涂層材料沿規(guī)整結(jié)構(gòu)載體的徑向呈梯度負(fù)載，且由載體的軸線區(qū)域至邊緣區(qū)域負(fù)載量逐漸降低。上述的徑向梯度負(fù)載三效催化劑，其中，所述的催化劑由軸線區(qū)域至邊緣區(qū)域包含:25-35%的第一區(qū)域，25-35%的第二區(qū)域，及35-45%的第三區(qū)域，以上百分?jǐn)?shù)均是指其占整個(gè)催化劑的體積百分?jǐn)?shù)。上述的徑向梯度負(fù)載三效催化劑，其中，所述的規(guī)整結(jié)構(gòu)的載體是指具有宏觀尺度的中孔規(guī)整平行孔道和規(guī)整表面的催化劑載體。上述的徑向梯度負(fù)載三效催化劑，其中，所述的孔的結(jié)構(gòu)形狀為正方形、六邊形、圓形或其他不規(guī)則形狀。上述的徑向梯度負(fù)載三效催化劑，其中，所述的規(guī)整結(jié)構(gòu)的載體為蜂窩狀。上述的徑向梯度負(fù)載三效催化劑，其中，所述規(guī)整結(jié)構(gòu)的載體是指堇青石蜂窩載體、莫來(lái)石蜂窩載體、氧化鋁蜂窩載體、金屬合金蜂窩載體中的任意一種。本發(fā)明還提供了一種上述的徑向梯度負(fù)載三效催化劑的制備方法，該方法包含以下具體步驟:步驟I，將鈰鋯鋁復(fù)合氧化物和貴金屬鹽按質(zhì)量100:0.5 1.0比例混合，加入去離子水，制成固含量按重量百分?jǐn)?shù)計(jì)為30 40wt%的混合物,pH值調(diào)節(jié)至2 6,球磨3 6小時(shí)制成漿料；步驟2，以上述漿料質(zhì)量為基準(zhǔn)，以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)，在步驟I制備的漿料中加入聚乙烯醇I 3被％攪拌均勻，然后將含聚乙烯醇的漿料沿規(guī)整結(jié)構(gòu)載體的徑向呈梯度負(fù)載于載體表面；步驟3，將步驟2的載體產(chǎn)物在通風(fēng)陰涼環(huán)境下晾干，再于100 120°C干燥10 20小時(shí)，500 600°C焙燒3 6小時(shí)，升溫速率為2 4°C每分鐘；步驟4，將步驟3的載體產(chǎn)物在400 450°C通入H2/N2混合氣體，還原I 4小時(shí)，即得到目標(biāo)催化劑。上述的徑向梯度負(fù)載三效催化劑的制備方法，其中，所述的均勻負(fù)載三效催化劑的涂層材料的負(fù)載量為60 70wt%，以催化劑質(zhì)量為基準(zhǔn)計(jì)。上述的徑向梯度負(fù)載三效催化劑的制備方法，其中，以均勻負(fù)載三效催化劑負(fù)載量為基準(zhǔn)，第一區(qū)域的涂層材料負(fù)載量為均勻負(fù)載三效催化劑的負(fù)載量，第二區(qū)域的涂層材料負(fù)載量為均勻負(fù)載三效催化劑負(fù)載量的95 85wt%，第三區(qū)域的涂層材料負(fù)載量為均勻負(fù)載三效催化劑負(fù)載量的85 75wt%。上述的徑向梯度負(fù)載三效催化劑的制備方法，其中，所述的H2/N2混合氣體中，H2含量占混合氣體體積百分?jǐn)?shù)計(jì)的4.5-5.5vol%o本發(fā)明根據(jù)催化轉(zhuǎn)化器中氣流分布特征，將涂層材料梯度負(fù)載于規(guī)整結(jié)構(gòu)蜂窩狀載體表面，在不降低催化劑催化活性的情況下實(shí)現(xiàn)催化劑的催化活性梯度變化。規(guī)則結(jié)構(gòu)催化劑的軸線周圍的區(qū)域氣流量大，負(fù)載較多的涂層材料，而邊緣區(qū)域氣流量小，負(fù)載較少的涂層材料。催化器軸線周圍的區(qū)域的氣流經(jīng)由催化劑負(fù)載涂層材料較多區(qū)域排出，而邊緣氣流經(jīng)由催化劑負(fù)載涂層材料較少的區(qū)域排出。本發(fā)明的三效催化劑包括規(guī)整結(jié)構(gòu)蜂窩狀載體及附著在載體表面的涂層材料，本發(fā)明采用的具有規(guī)整結(jié)構(gòu)的催化劑只涉及對(duì)涂層材料的分布進(jìn)行改進(jìn)，因此對(duì)涂層材料沒有特別的限制。本發(fā)明的催化劑與均勻負(fù)載三效催化劑相比，可使涂層材料的用量降低5 15wt%，而催化活性相當(dāng)。


圖1為本發(fā)明的一種徑向梯度負(fù)載三效催化劑的涂層材料梯度負(fù)載的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的實(shí)施例1制得的催化劑A的起燃溫度特征曲線。圖3為本發(fā)明的對(duì)比例I制得的催化劑B的起燃溫度特征曲線。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供了一種徑向梯度負(fù)載三效催化劑及其制備方法。該催化劑包括規(guī)整結(jié)構(gòu)的載體和附著在載體表面的涂層材料，所述涂層材料沿規(guī)整結(jié)構(gòu)蜂窩狀載體的徑向呈梯度負(fù)載，對(duì)涂層材料沒有特別的限制。本發(fā)明制備的催化劑在不降低催化活性的基礎(chǔ)上，可降低涂層材料的用量。
本發(fā)明的催化劑為梯度規(guī)整結(jié)構(gòu)催化劑，該催化劑包括規(guī)整結(jié)構(gòu)蜂窩狀載體及附著在載體上的催化劑涂層材料。本發(fā)明對(duì)涂層材料的梯度分布沒有特別的限制，只要涂層材料的負(fù)載量沿規(guī)整結(jié)構(gòu)載體的徑向呈梯度變化即可。以均勻負(fù)載三效催化劑負(fù)載量為基準(zhǔn)(均勻負(fù)載三效催化劑的涂層材料負(fù)載量?jī)?yōu)選為67wt%，以催化劑質(zhì)量為基準(zhǔn)，即涂層材料重量為載體重量的67wt%)，其中，第一區(qū)域10的涂層材料負(fù)載量?jī)?yōu)選為均勻負(fù)載三效催化劑的負(fù)載量(即67wt%)，第一區(qū)域10所占整個(gè)催化劑的體積百分?jǐn)?shù)為25-35%，第二區(qū)域20涂層材料負(fù)載量?jī)?yōu)選為均勻負(fù)載三效催化劑負(fù)載量的90wt%，第二區(qū)域20所占整個(gè)催化劑的體積百分?jǐn)?shù)為25-35% ;第三區(qū)域30的涂層材料負(fù)載量?jī)?yōu)選為均勻負(fù)載三效催化劑負(fù)載量的80wt%，第三區(qū)域30所占整個(gè)催化劑的體積百分?jǐn)?shù)為35-45%，如圖1所示。本發(fā)明所述規(guī)整結(jié)構(gòu)的載體是指具有宏觀尺度的中孔規(guī)整平行孔道和規(guī)整表面的催化劑載體。所述規(guī)整結(jié)構(gòu)的載體包括但不限于堇青石蜂窩載體、莫來(lái)石蜂窩載體、氧化鋁蜂窩載體、金屬合金蜂窩載體。本發(fā)明對(duì)所述孔的結(jié)構(gòu)形狀沒有特別的限制，不限于正方形、六邊形、圓形或其他不規(guī)則形狀。由于本發(fā)明采用的具有規(guī)整結(jié)構(gòu)的催化劑只涉及對(duì)涂層材料的分布進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)涂層材料沒有特別的限制。例如，所述鈰鋯鋁復(fù)合氧化物和貴金屬鹽可以商購(gòu)得到，也可以采用各種方法制備得到。本發(fā)明中，所述催化劑與尾氣的接觸條件為工業(yè)三效催化劑與尾氣的接觸條件，即尾氣的體積空速為40000 800001Γ1，空氣過量系數(shù)為0.90 1.10。實(shí)施例1:本實(shí)施例用于說明本發(fā)明所述催化劑的制備。稱取695g鈰鋯鋁復(fù)合氧化物(55wt% Y -Al2O3,13wt%Ce02,16wt%Zr02, 3.5wt%Ba0, llwt%MgO, 1.5wt%Pr60n，以鈰鋯鋁復(fù)合氧化物質(zhì)量為基準(zhǔn))，0.65g Rh (NO3) 3,4.43g Pd (NO3) 3與1291g去離子水混合，制成固含量為35wt%的混合物,用硝酸將pH值調(diào)節(jié)至3,濕法球磨4小時(shí)制成衆(zhòng)料。再加入7g聚乙烯醇溶液攪拌均勻，采用催化劑徑向梯度涂覆儀將漿料沿徑向呈梯度分布負(fù)載于圓柱形堇青石蜂窩陶瓷載體表面。以均勻負(fù)載三效催化劑負(fù)載量為基準(zhǔn)，其第一區(qū)域10的涂層材料負(fù)載量為均勻負(fù)載三效催化劑的負(fù)載量(均勻負(fù)載三效催化劑的涂層材料的負(fù)載量為67wt%，以催化劑質(zhì)量為基準(zhǔn))，第二區(qū)域20的涂層材料負(fù)載量為均勻負(fù)載三效催化劑負(fù)載量的90wt%，第三區(qū)域30的涂層材料負(fù)載量為均勻負(fù)載三效催化劑負(fù)載量的80wt%，如圖1所示。然后將催化劑置于通風(fēng)陰涼環(huán)境12小時(shí)，再于120°C干燥12小時(shí)，并在600°C下焙燒4小時(shí)(升溫速率為3°C每分鐘)，然后450°C用H2/N2 (H2含量為5.0vol%)處理4小時(shí)即得到本發(fā)明所述的催化劑。對(duì)比例1:該對(duì)比例用于說明現(xiàn)有技術(shù)中均勻負(fù)載催化劑的制備。
按照實(shí)施例1的步驟制備催化劑，不同的是涂覆過程中涂層材料采用均勻負(fù)載。以催化劑質(zhì)量為基準(zhǔn)，涂層材料負(fù)載量均為67wt%。測(cè)試?yán)?:針對(duì)實(shí)施例1的催化劑A與對(duì)比例I的催化劑B。將上述實(shí)施例1制得的催化劑A和比較例催化劑B分別裝封裝于催化轉(zhuǎn)化器中。測(cè)試用發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)為EQ491i(東風(fēng)汽車有限責(zé)任公司發(fā)動(dòng)機(jī)廠)，裝填樣品1.0L，空氣過量系數(shù)為1.01，尾氣以50000小時(shí)-1的體積空速通過催化劑。檢測(cè)催化劑入口溫度與一氧化碳、碳?xì)浠锖偷趸锏臐?br> 度值，然后根據(jù)下列公式計(jì)算催化劑的催化轉(zhuǎn)化效率:
權(quán)利要求
1.一種徑向梯度負(fù)載三效催化劑，該催化劑包含具有規(guī)整結(jié)構(gòu)的載體及附著在載體表面的涂層材料，其特征在于，所述的涂層材料沿規(guī)整結(jié)構(gòu)載體的徑向呈梯度負(fù)載，且由軸線區(qū)域至邊緣區(qū)域負(fù)載量逐漸降低。
2.如權(quán)利要求1所述的徑向梯度負(fù)載三效催化劑，其特征在于，所述的催化劑由軸線區(qū)域至邊緣區(qū)域包含:25-35%的第一區(qū)域(10)，25-35%的第二區(qū)域(20)，及35-45%的第三區(qū)域(30)，以上百分?jǐn)?shù)是指各區(qū)域占整個(gè)催化劑的體積百分?jǐn)?shù)。
3.如權(quán)利要求1所述的徑向梯度負(fù)載三效催化劑，其特征在于，所述的規(guī)整結(jié)構(gòu)的載體是指具有宏觀尺度的中孔規(guī)整平行孔道和規(guī)整表面的催化劑載體。
4.如權(quán)利要求3所述的徑向梯度負(fù)載三效催化劑，其特征在于，所述的孔的結(jié)構(gòu)形狀為正方形、六邊形、圓形或其他不規(guī)則形狀。
5.如權(quán)利要求3所述的徑向梯度負(fù)載三效催化劑，其特征在于，所述的規(guī)整結(jié)構(gòu)的載體呈蜂窩狀。
6.如權(quán)利要求5所述的徑向梯度負(fù)載三效催化劑，其特征在于，所述規(guī)整結(jié)構(gòu)的載體是指堇青石蜂窩載體、莫來(lái)石蜂窩載體、氧化鋁蜂窩載體、金屬合金蜂窩載體中的任意一種。
7.—種根據(jù)權(quán)利要求1-6中任意一項(xiàng)所述的徑向梯度負(fù)載三效催化劑的制備方法,其特征在于，該方法包含以下具體步驟: 步驟I，將鈰鋯鋁復(fù)合氧化物和貴金屬鹽按質(zhì)量100:0.5 1.0比例混合，加入去離子水，制成固含量按重量百分?jǐn)?shù)計(jì)為30 40wt%的混合物，pH值調(diào)節(jié)至2 6，球磨3 6小時(shí)制成漿料； 步驟2，以上述漿料質(zhì)量為基準(zhǔn)，在步驟I制備的漿料中加入聚乙烯醇I 3wt%攪拌均勻，然后將含聚乙烯醇的漿料沿規(guī)整結(jié)構(gòu)載體的徑向呈梯度負(fù)載于載體表面； 步驟3，將步驟2的載體產(chǎn)物在通風(fēng)陰涼環(huán)境下晾干，再于100 120°C干燥10 20小時(shí)，500 600°C焙燒3 6小時(shí)，升溫速率為2 4°C每分鐘； 步驟4，將步驟3的載體產(chǎn)物在400 450°C通入H2/N2混合氣體，還原I 4小時(shí)，即得到目標(biāo)催化劑。
8.如權(quán)利要求7所述的徑向梯度負(fù)載三效催化劑的制備方法，其特征在于，所述的均勻負(fù)載三效催化劑的涂層材料的負(fù)載量為60 70wt%，以催化劑質(zhì)量為基準(zhǔn)計(jì)。
9.如權(quán)利要求8所述的徑向梯度負(fù)載三效催化劑的制備方法，其特征在于，以均勻負(fù)載三效催化劑負(fù)載量為基準(zhǔn)，第一區(qū)域(10)的涂層材料負(fù)載量為均勻負(fù)載三效催化劑的負(fù)載量，第二區(qū)域(20)的涂層材料負(fù)載量為均勻負(fù)載三效催化劑負(fù)載量的95 85wt%，第三區(qū)域(30)的涂層材料負(fù)載量為均勻負(fù)載三效催化劑負(fù)載量的85 75wt%。
10.如權(quán)利要求7所述的徑向梯度負(fù)載三效催化劑的制備方法，其特征在于，所述的H2/N2混合氣體中，H2含量占混合氣體體積百分?jǐn)?shù)計(jì)的4.5-5.5vol%o
全文摘要
本發(fā)明公開了一種徑向梯度負(fù)載三效催化劑及其制備方法，該催化劑包含具有規(guī)整結(jié)構(gòu)的載體及附著在載體表面的涂層材料，所述的涂層材料沿規(guī)整結(jié)構(gòu)載體的徑向呈梯度負(fù)載，且由載體的軸線區(qū)域至邊緣區(qū)域負(fù)載量逐漸降低。本發(fā)明提供的催化劑與均勻負(fù)載的三效催化劑相比，可使涂層材料的用量降低5～15wt%，而催化活性相當(dāng)。
文檔編號(hào)B01J37/02GK103157520SQ20131006798
公開日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2013年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月4日
發(fā)明者周建華 申請(qǐng)人:上海云匯環(huán)?？萍加邢薰?br>