具有老化抑制催化剂的催化转化器制造技术

技术编号:15159872 阅读:48 留言:0更新日期:2017-04-12 12:19
一种包括催化剂的催化转化器。所述催化剂包括一种载体、分散在所述载体上的铂族金属(PGM)颗粒,以及在所述载体上形成的阻挡层。所述阻挡层位于第一组PGM颗粒与第二组PGM颗粒之间,以抑制所述PGM颗粒的老化。

【技术实现步骤摘要】

本公开总体上涉及催化转化器,具体涉及老化抑制催化剂。
技术介绍
具有内燃发动机(ICE)的车辆包括用于处理来自发动机的排气的排气处理系统。处理系统的配置部分地取决于发动机是柴油发动机(其通常在稀燃状态下运行并且在所有运行状态下在排气中包含高浓度的氧气)还是化学计量的火花点火式发动机(其在接近化学计量的空燃(A/F)比下运行)。用于柴油发动机的处理系统包括柴油氧化催化剂(DOC),该柴油氧化催化剂能够氧化一氧化碳(CO)和烃类(HC)。用于化学计量的火花点火式发动机的处理系统包括三元催化剂(TWC),该三元催化剂根据NOx通过CO和HC的非选择性催化还原的原理运行。
技术实现思路
催化转化器包括催化剂。催化剂包括载体、分散在载体上的铂族金属(PGM)颗粒,以及在载体上形成的阻挡层(barrier)。阻挡层被设置在第一组PGM颗粒与第二组PGM颗粒之间,以抑制PGM颗粒的老化。附图说明通过参考下面的详细说明和附图,本专利技术的实施例的特征将变得显而易见,其中相同的附图标记对应于类似的,但是可能不相同的部件。为了简洁,具有前述功能的附图标记或特征可以或者可以不和它们出现的其他附图共同进行描述。图1是描绘了用于PGM颗粒生长或烧结的两种机制的示意性图示;图2A是本文所公开的催化剂的实施例的半示意性俯视图;图2B是图2A中所示的催化剂沿着线2B-2B截取的半示意性横截面视图;图3是描绘了通过选择性原子层沉积(ALD)形成的本文所公开的催化剂的实施例的半示意性横截面视图;图4A是催化转化器的实施例的部分被切掉的透视图;图4B是图4A的一部分的放大视图;图5A是描绘了基线实施例(BL)以及暴露于不同数目原子层沉积循环的实施例(ALD)的钯分散(即表面金属原子的数量与金属原子总数的比,以百分比示出)的图;图5B是描绘了在暴露于老化处理之后的基线实施例(BL)、包括通过5个ALD循环形成的阻挡层的实施例(5ALD),以及包括通过10个ALD循环形成的阻挡层的实施例(10ALD)的钯分散(以百分比示出)的图;以及图6是描绘了基线实施例(BL)和包括通过5个ALD循环形成的阻挡层的实施例(Pd/Al2O3+5ALD)的一氧化碳(CO)转化和C3H6(丙烯(propene),或者可选地,丙烯(propylene))转化的起燃温度(以℃为单位)的图。具体实施方式DOC和TWC通常包括负载有铂族金属(PGM)作为活性催化/催化剂材料的载体。当来自车辆发动机的排气温度增加(例如达到从150℃至大约1000℃的温度范围)时,负载在载体上的PGM可经历颗粒生长(即烧结)。图1描绘了在车辆运行期间用于PGM颗粒生长的两种机制。所述机制涉及原子和/或微晶PGM迁移。第一种机制涉及通过由12表示的汽相进行的PGM迁移,第二种机制涉及通过由14表示的表面扩散进行的PGM迁移。在第一种机制中,从负载在载体18上的PGM颗粒16发出的移动物质(未示出)可以通过汽相12行进并与汽相12中的其他金属颗粒20聚集以形成更大的PGM颗粒16’。在第二种机制中,从PGM颗粒16发出的移动物质(未示出)可以沿着载体18的表面18a扩散并且与表面18a上的其他金属颗粒22聚集以形成更大的PGM颗粒16’。PGM颗粒16’尺寸的增加导致较差的PGM利用率以及不希望的催化剂材料的老化。更具体地,增加的颗粒尺寸降低了PGM分散率,PGM分散率为催化剂中表面PGM原子的数量与催化剂中PGM原子总数的比。降低的PGM分散率与活性金属表面面积的减少(作为颗粒生长的结果)直接相关,并因此指示活性催化剂反应位点的损失。活性催化剂反应位点的损失导致较差的PGM利用率,并指示催化剂已经不希望地老化或失活。已经观察到,在行驶100,000至150,000英里之后,在典型的TWC中大约1%的PGM维持催化活性(即消耗了99%的PGM)。抵消烧结的影响的一种方法是使用足够高的PGM负载以补偿催化剂失活。然而,这增加了TWC的成本。本文所公开的催化剂通过将PGM颗粒16与形成在载体18上的阻挡层分离而抑制老化。通过将PGM颗粒16物理分离,阻挡层旨在阻挡汽相迁移和表面扩散。这减慢或阻止了PGM颗粒生长/烧结并随着时间维持更多的活性PGM位点,因此催化剂老化比没有阻挡层的催化剂老化慢。此外,当减少或阻止烧结时,防止催化剂的运行温度随着时间向上漂移。现在参照图2A和图2B,描绘了催化剂10的实施例。更具体地,图2A描绘了催化剂10的俯视图,而图2B描绘了催化剂10的横截面视图。催化剂10包括载体18。载体18可以为多孔金属氧化物结构。多孔金属氧化物结构可以由Al2O3、CeO2、ZrO2、CeO2-ZrO2、SiO2、TiO2、MgO、ZnO、BaO、K2O、Na2O、CaO或其组合形成。多孔金属氧化物结构可以为粉末、球体或任何其他适当的构型的形式。载体18可以包括若干小孔。更多的孔增加了将许多PGM颗粒16容纳在小体积中的表面面积。在一个实施例中,载体18的孔体积的范围为从大约0.5ml/g至大约2ml/g。催化剂10还包括分散在载体18上的PGM颗粒16。术语“分散在……上”,是指PGM颗粒16可以被粘结到载体18的表面18a上,并且还可以存在于载体18的孔(未示出)内。每一次出现在载体的表面18a上的PGM颗粒16在本文被称为一组PGM颗粒。尽管示出若干组,但是其中四组在图2A和图2B中被标记为16A、16B、16C和16D。尽管组16A、16B、16C和16D被示出由单个PGM颗粒16构成,但是应该理解的是,组16A、16B、16C和16D各自可以由单个PGM颗粒或聚集在一起的若干PGM颗粒16构成。例如,每组16A、16B、16C、16D可以包括一小簇颗粒16,其中颗粒16具有相似尺寸或者具有颗粒尺寸分布。又例如,每组16A、16B、16C、16D可以包括单个颗粒16,单个颗粒16通过阻挡层24与每个其他单个颗粒16分开。PGM颗粒16由活性催化材料形成,并且可以为钯(Pd)、铂(Pt)、铑(Rh)、钌(Ru)、锇(Os)、铱(Ir),或者它们的各种组合(例如,Pd和Pt;Pt和Rh;Pd和Rh;Pd、Pt和Rh;Pt和Ir;Pd和Os;或者任何其他组合)。在催化剂10中存在的PGM颗粒16的量的范围为催化剂10的大约0.1wt%至大约10wt%。催化剂10还包括在载体18的至少一些表面18a上(例如在不存在PGM颗粒16的那些区域上)形成的阻挡层24。如图2B所示,阻挡层24将每个PGM颗粒组16A、16B、16C和16D与每个其他PGM颗粒组16A、16B、16C和16D在物理上分离。阻挡层24主要在载体18的表面18a上的PGM催化剂颗粒组16A、16B、16C和16D之间形成壁,并且用于阻止颗粒16通过汽相12或表面扩散22聚集。阻挡层24没有延伸到PGM颗粒16的任何一个上,因此在车辆运行期间PGM颗粒16可以直接暴露于排气。如图2A所示,阻挡层24可以是在每一PGM颗粒组16A、16B、16C和16D周围形成的连续涂层。阻挡层24可以是Al2O3、CeO2、ZrO2、CeO2-ZrO2、SiO2、TiO2、MgO、ZnO、BaO、K2O、Na2O以本文档来自技高网...
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【技术保护点】
一种催化转化器,其包括:催化剂,其包括:载体;分散在所述载体上的铂族金属(PGM)颗粒;以及在所述载体上形成的阻挡层,所述阻挡层位于第一组PGM颗粒与第二组PGM颗粒之间,以抑制所述PGM颗粒的老化。

【技术特征摘要】
2015.10.05 US 62/237392;2016.08.25 US 15/2475061.一种催化转化器,其包括:催化剂,其包括:载体;分散在所述载体上的铂族金属(PGM)颗粒;以及在所述载体上形成的阻挡层,所述阻挡层位于第一组PGM颗粒与第二组PGM颗粒之间,以抑制所述PGM颗粒的老化。2.如权利要求1中所定义的催化转化器,其中:所述载体和所述阻挡层独立地选自由Al2O3、CeO2、ZrO2、CeO2-ZrO2、SiO2、TiO2、MgO、ZnO、BaO、K2O、Na2O、CaO及其组合组成的组;并且所述PGM颗粒选自由钯、铂、铑、钌、锇、铱及其组合组成的组。3.如权利要求1中所定义的催化转化器,其中:所述第一组PGM颗粒在第一空间中,且所述第二组PGM颗粒在第二空间中,且其中所述第一空间和第二空间中的每一者具有至多约100nm的至少一个维度;并且所述阻挡层具有从约0.05X至约10X范围的高度,其中X是所述的第一组PGM颗粒和第二组PGM颗粒中的至少一组的维度。4.如权利要求1中所定义的催化转化器,其中所述阻挡层不会延伸到任何一个所...

【专利技术属性】
技术研发人员:G·齐R·J·戴S·H·吴X·肖M·杨
申请(专利权)人:通用汽车环球科技运作有限责任公司
类型:发明
国别省市:美国;US

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