СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ КАТАЛИЗАТОРА ДЛЯ ОЧИСТКИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И КАТАЛИЗАТОР, ПОЛУЧЕННЫЙ ЭТИМ СПОСОБОМ
METHOD OF PREPARING CATALYST FOR PURIFICATION OF EXHAUST GASES OF COMBUSTION ENGINES AND CATALYST OBTAINED THEREOF

Изобретение относится к способу приготовления катализатора на сотовом блочном носителе для очистки отработавших газов (ОГ) двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и катализатору, полученному этим способом.
2
2
2
Известны способы приготовления катализаторов на блочных носителях (БН) сотовой структуры с множеством отверстий в направлении течения газового потока. Исходная удельная поверхность таких блочных носителей мала (0,01-0,65 м/г) и катализаторы на их основе обладают низкой каталитической активностью. В настоящее время для увеличения исходной удельной поверхности металлических и керамических блочных носителей широко используется нанесение промежуточной подложки на основе оксида алюминия с высокой удельной поверхностью (100-200 м/г), в состав которой включают композиции на основе оксидов циркония, церия, лантана, а также иттрия, гадолиния и самария. Так, например, в патенте RU 2404855 С2 (27.10.2010) описаны способы получения такой композициии и каталитическая система для очистки ОГ ДВС. Причем для нанесения полученной сложным способом соосаждения и термообработок (в вакууме и на воздухе) композиции ее смешивают с материалом подложки, чтобы образовать суспензию, которую затем наносят на основу - блочный носитель. Технический эффект - повышенная стабильность удельной поверхности композиции- композиция после обжига в течение 4 часов при температуре 1000°С, в течение 10 часов при температурах 1150 и 1200°С имеет удельную поверхность по меньшей мере соответственно 45, 15 и 7-5 м/г. Процесс требует сложного технологического оборудования для получения композиции помимо оборудования, используемого для получения катализатора на БН. Причем в способе получения композиции используют значительное количество раствора аммиака, и соответственно необходимо дополнительное оборудование для очистки технологических газов и безопасной работы персонала. Активность композиции характеризуют способностью к восстановлению водородом, что дает возможность сравнивать образцы композиций различного состава между собой, но не позволяет предположить реальную картину «поведения» катализатора в реакциях очистки ОГ ДВС и термостабильность подложки катализатора в целом.
2
В патенте RU 2404855 С2 описан также способ получения смешанных оксидов на цирконий-цериевой основе, в котором для образования осадка смешанных гидроксидов циркония и церия проводят реакцию щелочи с водным раствором, содержащим растворимые соли церия и циркония и определенное количество молей анионов сульфата на моль катионов циркония при температуре не выше 50°С с последующей термообработкой (ТО) и дальнейшем использовании полученных смешанных оксидов для получении водной суспензии с оксидами, например, алюминия или кремния, и оксидов других редкоземельных и щелочноземельных металлов в количестве не более 50%, а в конечном продукте остаточное содержание сульфата заявляют на уровне 0,1-0,05%. Удельная поверхность образцов, полученных по способу, заявленному в патенте, (три примера - в граничных условиях) после ТО 4 часа при 700оС и 2 часа при 950°С составляла 31, 26 и 39 м/г. Данные полученные методом РФА для этих образцов показало наличие монокристаллической фазы оксидов церия и циркония после ТО при 700°С и 950°С. Однако, применение сульфатов в технологии приготовления подложек для катализаторов очистки ОГ ДВС с применением благородных металлов может снизить каталитическую активность, т.к. соединения серы являются, как известно, каталитическим «ядом» и требуется дополнительная стадия дополнительной промывки, что является трудоемкой работой. Присутствие ионов натрия также нежелательно в каталитической системе очистки ОГ ДВС и требует тщательной отмывки продукта.
В патенте RU 2286209 С2 (27.10.2006) описан способ получения поликристаллических частиц смешанного оксида церия и циркония, включающий следующие стадии:1)получение раствора смешанной соли, включающего по меньшей мере одну соль церия и одну соль циркония, в концентрации для образования поликристаллических частиц соответствующего сухого продукта - смешанного оксида церия и циркония. 2) обработку раствора полученной по п.1 смешанной соли основанием с образованием осадка; 3) обработку осадка, полученного по п.2 окислительным агентом в количестве, достаточном для окисления церия +3 до +4; промывку и сушку осадка, полученного по п.3.; 4) прокаливание высушенного осадка, полученного по п.3, в результате чего получают поликристаллические частицы частицы оксида церия и циркония в виде смешанного оксида, обладающие высокой кислородной емкостью, не зависящей от величины поверхности и в этих композициях могут присутствовать смешанные оксиды неоднородного фазового состава. Технический результат - получаемый оксид обладает как высокой кислородной емкостью, так и повышенной скоростью отдачи кислорода в условиях высоких температур.
Данные, приведенные в патентах, говорят о положительном влиянии на активность и стабильность катализатора очистки ОГ ДВС добавки смешанных оксидов церия и циркония, однако технологии их получения трудоемки и энергоемки. Во многих требуется дополнительная очистка продукта от нежелательных примесей и дополнительная очистка отходящих технологических газов.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ приготовления катализатора для очистки ОГ ДВС согласно WO 2010/002486 А2 (опубликовано 07.01.2010), в котором описан способ получения катализатора для очистки ОГ ДВС, включающий предварительное прокаливание инертного сотового блочного носителя, нанесение на его поверхность промежуточного покрытия из модифицированного оксида алюминия и активной фазы из одного или нескольких металлов платиновой группы, смешанного оксида церия-циркония, оксидов иттрия и редкоземельного элемента, сушку, ТО и восстановление. Известный способ включает введение активного металла/его катионов в смешанный оксид церия-циркония в основных условиях с помощью гидроксида аммония/аммиачного комплекса или с помощью комплекса органического амина. К недостаткам известного способа следует отнести необходимость использования значительного количества раствора аммиака или органических аминов, что приводит к необходимости дополнительного оборудования для очистки технологических газов и безопасной работы персонала.
Задачей настоящего изобретения является упрощение суспензионной технологии получения покрытий для катализаторов очистки ОГ ДВС. Техническим решением является сохранение высокой удельной поверхности покрытий в диапазоне температур от 500 до 1000°С за счет образования термостабильных фаз смешанных оксидов церия - циркония, препятствующих спеканию и агломерации низкотемпературных фаз оксида алюминия.
Краткое содержание изобретения.
2
x
(1-x)
2
0,5
0.5
2
2
2
2
3
2
2
0,5
0,5
2
-1
2
2
2
2
2
Разработан способ получения каталитических покрытий на БН, включающих смешанные оксиды церия-циркония, а также оксиды иттрия и лантана. Причем отсутствует стадия предварительного получения композиции смешанных оксидов. Соединения предшественники входят в состав суспензии в необходимых для образования смешанных оксидов церия-циркония пропорциях, в том числе соли иттрия и лантана, как легирующая добавка способствующая образованию смешанных оксидов на основе кристаллической решетки ZrO в виде твердых растворов общей формулы ZrCeO, где: х в интервале 0,25-0,84 и преимущественно равен 0,5, тетрагональной модификации близких по составу ~ZrCeO в покрытиях системы ZrO-CeO-γ-AlO. После нанесения слоя разработанной суспензии на подготовленный БН и ТО слоя суспензии на поверхности БН можно получить прочное покрытие на основе гамма-оксида алюминия, включающее смешанные оксиды на цирконий-цериевой основе поликристаллической и монокристаллической фаз, (в зависимости от температуры ТО), которые стабилизируют кристаллическую структуру подложки в целом, сохраняя высокую удельную поверхность покрытия в области высоких температур, что подтверждается при анализе покрытий методом БЭТ и рентгено-фазового анализа (РФА), и способствуют повышению каталитической активности, например, в реакции окисления СО кислородом. Результаты исследования методами БЭТ и РФА образцов покрытий Pt-катализаторов на БН после термообработки при температурах 500, 800, 1000 и 1200°С представлены в таблице 1. Графики зависимости степени превращения СО от температуры при испытаниях каталитической активности образцов Pt-катализаторов на БН на лабораторной проточной установке в тестовой реакции окисления СО кислородом в модельных газовых смесях состава: СО - 0,3% об., O - 0,3-0,33% об., остальное N и объемной скорости 10000 час с анализом на газоанализаторе ОПТОГА3-500.2. представлены на рис.1. Структурной особенностью заявляемой композиции покрытия является образование в покрытии фазы твердого раствора ZrCeO на основе диоксида циркония тетрагональной модификации, стабильной в интервале температур 500-1000°С, что способствует поддержанию высокой удельной поверхности покрытий в интервале температур 500-1000°С: до 120 м/г - после ТО-5 час при температуре 500°С, до 100 м/г - после ТО-5 час при температуре 800°С, до 70 м/г - после ТО-5 час при температуре 1000°С, в связи с чем система сохраняет эксплуатационные свойства в данной области температур, что хорошо видно на рис.1 - образцы катализаторов, после ТО при 500, 800 и 1000°С, показывают практически одинаковую активность. Удельная поверхность покрытия после ТО-5 час при температуре 1200°С составляет по крайней мере 5 м/г (до 10 м/г).
x
(1-x)
2
Преимуществом настоящего изобретения является то, что смешанные оксиды церия-циркония образуются в покрытии непосредственно на поверхности БН, в процессе ТО слоя суспензии и приготовление положки на БН состоит фактически из двух стадий: 1) приготовление водной суспензии на основе бемита в растворе дисахарида, растворимых солей Ce, Zr, Y, La в пропорциях, необходимых для образования двойного оксида церия-циркония, и одной или нескольких неорганических солей металлов платиновой группы; 2) нанесение суспензии на БН, с последующей сушкой и ТО. Одним из преимуществ настоящего изобретения является то, что высокоактивные стабильные в области температур 500-1000°С оксидные фазы Ce-Zr, диспергарованны по всей поверхности оксида алюминия и по всему объему покрытия, препятствуя рекристаллизации покрытия в целом. При необходимости в зависимости от температуры ТО и состава суспензии могут быть получены двойные оксидные фазы Ce-Zr заданного состава общей формулы ZrCeO, где: «х» в интервале 0,25-0,84. В настоящее время большое внимание уделяется стабильной работе катализатора очистки ОГ ДВС в области температур 500-1000°С, поэтому заявляемый способ приготовления блочных катализаторов актуален для использования.
2
3
2
2
2
3
Настоящий способ приготовления катализатора для очистки отработавших газов ОГ ДВС, включает предварительное прокаливание инертного сотового блочного носителя, одновременное нанесение на его поверхность промежуточного покрытия из модифицированного оксида алюминия и активной фазы из одного или нескольких металлов платиновой группы из водной суспензии, включающей гидроксид алюминия - бемит (AlOOH), восстанавливающий дисахарид, выбранный из группы, включающей мальтозу, целобиозу, генциобиозу и лактозу, предпочтительно мальтозу, и растворимые соли Ce, Zr, Y, La в виде солей азотной кислоты в пропорции необходимой для образования смешанных оксидов церия и циркония и соотношения в покрытии (MeO+ZrO+CeO):γ~AlO~1:1, где: Me - Y, La, а также одну или несколько неорганических солей металлов платиновой группы, при следующем отношении входящих в нее компонентов, мас.%:
AlOOH - 18-21;
3
3
2
Се(NO)·6HO - 19,0-22,0;
3
2
2
ZrO(NO)·2HO - 17,0-20,0;
3
3
2
Y(NO)·6HO - 0,8-1,3;
3
3
2
La(NO)·6HO - 0,5-0,8; одна или несколько неорганических солей металлов платиновой группы, в пересчете на металлы - 0,17-0,19, восстанавливающий дисахарид, в пересчете на мальтозу, - 5-6; вода - остальное до 100% мас.
Сушку слоя суспензии на поверхности БН, одновременно термообработку и восстановление каталитического покрытия можно проводить в муфельной печи до необходимой конечной температуры 550-1000°С. Использование предлагаемой суспензии существенно снижает время приготовления катализатора, и повышает его термостабильность и ресурс работы.
По заявляемому способу получают катализатор для очистки отработавших газов двигателей внутреннего сгорания следующего состава и характеристик: Удельная поверхность покрытия после ТО:
2
500°С - 100-120 м/г,
2
800°C - 80-100 м/г,
2
1000°С - 60-70 м/г,
2
1200°С - 5-10 м/г,
2
3
Содержание AlO - 6,0-7,0 мас.%.
2
3
2
2
2
Содержание (MeO+ZrO-O+CeO), где: Me - Y, La - 6,0-7,0 мас.%,
2
3
в том числе содержание MeO, где: Me - Y, La - 0,35-0,5% масс.
Активная фаза, в пересчете на металлы платиновой группы - 0,07-0,08 мас.%
Блочный носитель - остальное до 100% мас.
2
Согласно предлагаемому способу нанесение покрытия осуществляют из суспензии, содержащей бемит с исходной удельной поверхностью не менее - 300 м/г. В качестве носителя используют металлический носитель из гофрированной и свернутой в блок стальной ленты и прокаливание его ведут при температуре 1000-1125°С или используют блочный керамический носитель, например, из кордиерита и прокаливание проводят при температуре 500-1000°С. Носитель подвергают термической обработке для придания носителю и его поверхности качеств (повышение адгезии и стабилизация поверхности), необходимых для прочного сцепления вторичного каталитического покрытия.
Технический результат достигается за счет:
- использования суспензии определенного химического состава, позволяющей за один технологический цикл получить термостабильное прочное каталитическое покрытие, с высокой и стабилизированной удельной поверхностью, включающее смешанные оксиды циркония и церия в ультрадисперсном наноразмерном состоянии;
- выведение из состава суспензии спирта позволяет получить более плотное и массивное покрытие на поверхности БН, что позволит увеличить массовый выход покрытия за один цикл нанесения;
- использования в качестве предшественников смешанных оксидов церия-циркония растворимых солей циркония и церия, которые в водной суспензии равномерно адсорбируются первоначально на поверхности бемита, при спекании, образуя смешанные оксиды, которые препятствуют кристаллизации и агломерации наноразмерных частиц гамма-оксида алюминия, что приводит к повышению температуры образования высокотемпературных модификаций оксидов алюминия и система в целом сохраняет высокую удельную поверхность при более высоких температурах до 1000°С., см. рис.1. Остатки суспензии удаляют центрифугированием или сжатым воздухом, которое имеет место в известном решении, и сразу сушат и термообрабатывают при температуре 500-600°С. При необходимости ТО покрытия можно проводить при температурах 800-850 и 950-1000°Т.
Выход за указанный режим приводит к ухудшению параметров каталитического покрытия. Указанные составы суспензий, температурные параметры и последовательность стадий обеспечивают оптимальные величины структурных характеристик, в частности, фазовый состав и удельную поверхность катализаторов. При необходимости введения в катализатор нескольких благородных металлов, например, Pt-Rh, Pt-Pd или Pt-Pd-Rh, в состав суспензии вводят все исходные соединения одновременно.
3
2
-1
2
2
2
2
3
3
2
3
2
2
3
3
2
3
3
2
2
6
2
2
2
2
2
2
3
2
3
2
2
2
3
Пример 1. Для приготовления Pt-катализатора использовали 4-е блока из стальной жаростойкой ленты гофрированной и свернутой в блок диаметром 21 мм и высотой 48 мм (объем 16,6 см). В муфельной печи металлический блочный носитель прокаливают на воздухе при температуре 1000-1125°С в течение 8-10 часов. После охлаждения блоки взвешивают (масса каждого блока ~10 г) и погружают в суспензию следующего состава, %масс: бемит (удельная поверхность ~300 м/г) AlOOH - 18; Се(NO)·6HO - 19,0; ZrO(NO)·2HO - 17,0; Y(NO)·6HO - 0,8; La(NO)·6HO - 0,5; HPtCl·6HO в пересчете на металл - 0,17; восстанавливающий дисахарид - мальтоза - 5; вода - остальное. Затем блоки вынимают, центрифугируют в течение 10-15 сек со скоростью вращения 300 об/мин. Далее блоки сушат при температуре от 20 до 120°С и термообрабатывают в течении 5 часов при конечных температурах: 1-ый блок - 550°С; 2-ой блок - 800°С, 3-й блок - 1000°С, 4-ый блок - 1200°С. Блоки выгружают и весовым методом определяют массу нанесенного каталитического покрытия -12,4% масс, анализируют каталитическую активность в реакции СО+1/2O→CO (1) на лабораторной проточной установке с использованием газоанализатора ОПТОГА3-500.2. в модельных газовых смесях состава: СО - 0,3% об., O - 0,3-1% об., остальное N и объемной скорости 10000 час с оценкой активности по степени превращения СО в зависимости от температуры (см. рис.1) С внешней поверхности каждого блока снимают покрытие и определяют его фазовый состав методом РФА на приборе SHIMADZU XRD-6000 в излучении CuKα+ с использованием монохроматора при идентификации анализируемых веществ по базе данных «2003 JCPDS - ICDD» (данные приведены в таблице 1) и удельную поверхность методом БЭТ на приборе TriStar 3000 с погрешностью +/-5%. Удельная поверхность покрытия после прокаливания: Удельная поверхность покрытия после ТО: 1-500°С~100 м /г, 2-800°С~80 м/г, 3-1000°С~60 м/г, 4-1200°С~5 м/г. Полученный катализатор имеет следующий состав (по данным количественного анализа, полученного методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой на плазменном спектрометре «Jobin Yvon» и методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии на спектрофотометре Perkin-Elmer-580, с погрешностью измерений, составляющей +/-5%), в мас.%: AlO - 6,0; (MeO+ZrO+CeO), где: Me - Y, La - 6,0, в том числе в том числе MeO, где: Me - Y, La - 0,35; Pt - 0,07; блочный носитель - остальное до 100% мас.
3
2
3
2
2
3
3
2
3
3
2
2
6
2
2
3
2
3
2
2
2
3
2
2
2
2
Пример 2. Аналогично примеру 1, но прокаленные металлические блоки (4 шт) массой каждый ~10 г погружают в суспензию следующего состава, мас.%.: AlOOH - 21, Се(NO)3·6HO - 22,0; ZrO(NO)·2HO - 20,0; Y (NO)·6HO - 1,3; La(NO)·6HO - 0,8; HPtCl·6HO - 0,19; восстанавливающий дисахарид - лактоза, что в пересчете на мальтозу -6; вода - остальное. Блоки выгружают и весовым методом определяют массу нанесенного каталитического покрытия - 14,1% масс, Далее по примеру 1. Полученный катализатор имеет следующий состав, в мас.%: AlO - 7,0; (MeO+ZrO+CeO), где: Me - Y, La - 7,0, в том числе MeO, где: Me - Y, La - 0,5; Pt - 0,077; блочный носитель - остальное. Удельная поверхность покрытия после ТО: 1-500°С~110 м/г, 2-800°C~100 м/г, 3-1000°С~70 м/г, 4-1200°С~10 м/г.
3
2
2
2
2
2
3
2
3
2
2
2
3
Пример 3. Для приготовления катализатора используют цилиндрические блоки из кордиерита с продольными сквозными каналами. В печи блочный носитель прокаливают на воздухе при температуре 500-5 50°С в течение 5-8 часов. Далее каждый блок массой - 10 г (объем 23 см) обрабатывают по примеру 1. Удельная поверхность покрытия после прокаливания: 1-500°С~110 м/г, 2-800°С~90 м/г, 3-1000°С~60 м/г, 4-1200°C~7 м/г. Полученный катализатор имеет следующий состав, в мас.%: AlO - 6,0; (MeO+ZrO+CeO), где: Me - Y, La - 6,0, в том числе MeO, где: Me - Y, La - 0,35; Pt - 0,07; блочный носитель - остальное до 100% мас.
2
3
2
3
2
2
2
3
2
2
2
Пример 4. Аналогично примеру 3, но каждый блок массой - 10 г помещают в суспензию и обрабатывают аналогично примеру 2. Полученный катализатор имеет следующий состав, в мас.%: AlO - 7,0; (MeO+ZrO+CeO), где: Me - Y, La - 7,0,в том числе MeO, где: Me - Y, La - 0,5; Pt - 0,077; блочный носитель - остальное. Удельная поверхность покрытия после ТО: 1-500°С~120 м/г 2-800°С~100 м/г, 3-1000°С~70 м2/г, 4-1200°С~9 м/г.
Для сравнения образцы катализаторов по примерам 1-4 испытывают в реакции окисления СО кислородом. Результаты испытаний образцов приведены в таблице 1 и на рис.1. Эксперименты показывают, что температурная область активности образцов катализаторов прокаленных в течение 5 часов при температурах: 550°С, 800°С и 1000°С, приготовленных по заявляемому способу по примерам 1, 2, 3 и 4,находится в пределах 80-150°С (графики 1-6 на рис.1), а температурная область активности катализаторов, полученных по примерам 1, 2, 3 и 4, судя по соответствующим графикам 7, 8 на рис.1, при температуре 1200°С - в пределах 110-210°С. Таким образом, температура термообработки выше 1000°С является недопустимой при приготовлении и использовании катализаторов по заявляемому способу.
0,5
0,5
2
2
3
Результаты анализа РФА представлены на рис.2, 3, 4 и в таблице 1. На рис.2 - дифрактограммы образцов по примерам 1-4 после ТО при температурах 550 и 800°С. На рис.3 - дифрактограммы образцов по примерам 1-4 после ТО при температурах 800 и 1000°С. На рис.4 - дифрактограммы образцов по примерам 1-4 после ТО при температурах 1000 и 1200°С. По результатам анализа фазовый состав образцов покрытий по заявляемому способу сохраняется до конечной температуры прокаливания 1000°С, что косвенно объясняет характеристики каталитической активности. Особенностью способа, является образование (см. рис.2) и сохранение в покрытии до температуры 1000°С (см. рис.3) тетрагональной фазы смешанного оксида состава ZrCeO. Дифрактограмма образца, отожженного при 1000°С, отличается от предыдущих более высокой интенсивностью, меньшей шириной дифракционных максимумов на малых углах и лучшим разрешением некоторых рефлексов, что говорит об увеличении степени кристалличности покрытий и уменьшении микронапряжений. При температуре 1200°С резко изменяется фазовый состав (см. рис.4) - образуется новая фаза - α-AlO тригональная и разрешение рефлексов говорит о выраженном развитии процесса собирательной рекристаллизации и, как следствие, увеличении размеров частиц в процессе распада с образованием новых фаз, что приводит к резкому снижению качества катализатора - снижению активности и удельной поверхности.
Таблица 1
№ п.п.
№ примера
№ графика на рис.1.
Состав покрытия
Температу-ра TO, °C
Содержание Pt, 5 мас.
Sуд. г/дм<sup>3</sup>
Результаты, полученные методом РФА.
1
1 и 2
1
Оксиды Al, Ce, Zr, La, Y
500
0,07-0,08
100-110
Zr<sub>0,5</sub>Ce<sub>0,5</sub>O<sub>2</sub>, Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub>, γ-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>, +δ- Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
2
1 и 2
3
Оксиды Al, Ce, Zr, La, Y
800
0,07-0,08
100-80
-«-
3
3 и 4
2
Оксиды Al, Ce, Zr, La, Y
500
0,07-0,08
110-120
-«-
4
3 и 4
4
Оксиды Al, Ce, Zr, La, Y
800
0,07-0,08
100-90
-«-
5
1 и 2
5
Оксиды Al, Ce, Zr, La, Y
1000
0,07-0,08
60-70
-«-
6
3 и 4
6
Оксиды Al, Ce, Zr, La, Y
1000
0,07-0,08
60-70
-«-
7
1, 2, 3 и 4
7,8
Оксиды Al, Ce, Zr, La, Y
1200
0,07-0,08
5-10
α-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>, Zr<sub>0.4</sub>Се<sub>0.6</sub>O<sub>2</sub>, Zr<sub>0.84</sub>Се<sub>0.16</sub>O<sub>2</sub>, Zr<sub>0.5</sub>Ce<sub>0.5</sub>O<sub>2</sub>, Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub>, θ-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>, La<sub>2</sub>O<sub>3</sub>