一种贵金属与非贵金属催化剂分区涂覆的柴油机颗粒捕集器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种贵金属与非贵金属催化剂分区涂覆的柴油机颗粒捕集器及其制备方法，颗粒捕集器包括载体和涂覆在载体上的贵金属催化剂和非贵金属催化剂，所述的贵金属催化剂涂覆在载体的前端，非贵金属催化剂涂覆在载体的后端。与现有技术相比，本发明专利技术具有能在高效减排颗粒物的同时降低成本等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种贵金属与非贵金属催化剂分区涂覆的柴油机颗粒捕集器及其制备方法
本专利技术涉及柴油机尾气净化
，具体涉及一种贵金属与非贵金属催化剂分区涂覆的柴油机颗粒捕集器及其制备方法。
技术介绍
柴油发动机具有良好的动力性和经济性，在移动源市场中所占比重越来越大。然而，其排放污染物之一的颗粒物(PM)正严重威胁着生态环境和人类的健康，是全国多个地区持续雾霾天气的罪魁祸首。一般来说，实现柴油机排放颗粒物的净化有两种方法：机内净化和机外净化，机内净化就是调整发动机本身工作状态来降低颗粒物排放，如增压中冷、多气门、电控高压喷射、废气再循环和燃烧室改进等，虽然这些措施对减少柴油机颗粒物有一定效果，但作用有限，甚至还会对柴油机的动力性和经济性带来一些不利的影响。而柴油机排放颗粒物的机外净化技术CDPF，可有效减少排气中85～95％的颗粒物排放，成为了装配柴油机移动源达到高排放标准的一个关键部件。其中催化氧化，即“被动再生”是控制柴油机排放颗粒物最有效、最直接的方法之一，其关键实现手段包括催化剂的选取和配比。然而，传统涂覆于载体上的贵金属催化剂不仅有价格昂贵(贵金属铂194元/克、钯545元/克、铑3360/克)和耐热性的问题，而且对燃油中硫元素较敏感、易于中毒。同时，贵金属在我国主要源自南非和俄罗斯，对外依存度高。因此，亟需寻找可代替的催化剂原料，在确保催化特性的基础上，实现降本和自主供给。专利技术专利CN102400745B公开了一种三元催化剂的涂覆方法，其载体内表面从进气口至出气口依次涂覆有采用两种不同三元催化剂配比制成的催化层一和催化层二。催化层二的贵金属含量小于催化层一的贵金属含量。该专利技术采用了催化剂分区涂覆的方法，能够在保证三元催化器冷启动和整体催化转化性能的同时降低三元催化器的涂覆成本，但是仍使用了较多的贵金属催化剂，贵金属催化剂带来的成本、耐热性等问题仍没有得到有效缓解。专利技术专利CN108097258A公开了一种整体式非贵金属催化剂。其催化剂采用蜂窝陶瓷基底，以氧化铈作为涂层，以非贵金属氧化物作为活性组份，具有较好的抗氯性能和抗热冲击性能，且阻力较小。该专利技术与整体式贵金属催化剂相比成本更低，但因非贵金属催化剂在低温冷启动阶段的排放相比于涂覆有贵金属催化剂相差较远，故该专利技术在发动机低温冷启动阶段的实际减排效果不明显。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种贵金属与非贵金属催化剂分区涂覆的柴油机颗粒捕集器及其制备方法，实现在高效减排颗粒物的同时降低成本。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种贵金属与非贵金属催化剂分区涂覆的柴油机颗粒捕集器，包括载体和涂覆在载体上的贵金属催化剂和非贵金属催化剂，所述的贵金属催化剂涂覆在载体的前端，非贵金属催化剂涂覆在载体的后端。分区涂覆的柴油机颗粒捕集器在保证较高催化效率的同时实现降本。进一步地，所述的贵金属催化剂涂覆长度为自载体前端面至载体总长度的1/3，所述的非贵金属催化剂涂覆长度为自载体尾部端面至总长度的2/3。所述的贵金属催化剂包括Pt-Pd基贵金属催化剂，Pt-Pd的负载量为10g/ft3～20g/ft3；所述的非贵金属催化剂包括Cs-V基非贵金属催化剂，Cs-V的负载量为30g/ft3～50g/ft3。与贵金属相比，非贵金属原材料储量丰富，价格便宜，制备的催化剂具有较好的耐硫性和抗热老化性。我国铯(Cs)、钒(V)储量丰富，基于Cs-V基制备的非贵金属催化剂成本低廉，具备较好的起燃活性和储氧能力。载体前端的Pt-Pd基贵金属催化剂起燃温度低，催化活性很强，可以在低温冷启动时发挥其催化活性优势，增强柴油机颗粒物被动再生时的效率，载体后端的Cs-V基非贵金属催化剂在非低温环境下同样具有较高的催化活性，同时具备很好的抗硫性和热稳定性。当发动机排气气流从DOC尾端流经本专利技术贵金属与非贵金属催化剂分区涂覆的柴油机颗粒捕集器(CDPF)，首先通过的是涂覆有贵金属催化剂的载体段，在贵金属Pt-Pd的协同作用下，排气中的PM颗粒物进行被动反应，很好的发挥了其低温环境下颗粒物的氧化特性。随后在涂覆有Cs-V基非贵金属催化剂的载体段，排气中的PM颗粒物继续被进一步催化氧化。因为非贵金属的价格大大低于贵金属，故在其不影响其整体净化效果的情况下将涂覆的贵金属催化剂部分替换为非贵金属的催化剂可大大降低CDPF的制造成本，同时降低贵金属的对外需求。所述的载体呈蜂窝陶瓷壁流式结构，材质为堇青石或SiC，载体孔隙率为50％～60％，载体壁厚为3～10mil，载体孔密度为300～600cpsi。本专利技术配合SiC载体耐高温、强度好、寿命长的特点，利用非贵金属特殊电子层结构的变价特性，研制出性能优异的催化剂，实现柔性控制、降低成本，推进在移动源排气净化领域的可持续发展。所述的载体与催化剂之间还依次设有Al2O3层和稀土元素氧化物涂层。进一步地，所述的稀土元素氧化物包括CeO2或La2O。由于稀土元素具有储氧的功能，即在稀燃条件下储存氧，富燃条件下释放氧，可以控制贵金属附近的氧波动，保持催化剂良好的催化氧化作用。因此，采用CeO2或La2O3等稀土氧化物作为催化剂助剂分层涂覆，进一步提升催化剂对PM颗粒物的催化氧化作用。DPF壁流式颗粒捕集器的内芯由基材、担体和涂层组成，车用DPF基材一般选用多孔的陶瓷材料。起到催化作用的贵金属/非贵金属催化剂的化合物一般不会直接涂覆在基材上，而是先涂覆一层Al2O3毛细孔状的担体，形成催化剂的“附着面”。一方面增大与排气气流相接触的比表面积，另一方面相比于直接将催化剂涂覆在基材上节省了涂覆量。同时，柴油发动机在大部分工况下属于富燃，氧含量充足。但是为了防止部分工况下空燃比出现过浓或过稀，在Al2O3基础上涂覆了第二层CeO2或La2O3等稀土氧化物作为催化剂助剂，通过及时的储存和释放氧，进一步提升催化剂对PM颗粒物的催化氧化作用；第三层最后涂覆起到主催化作用的贵金属或非贵金属催化剂。由此，即形成了一种多层涂覆的协同作用。与此同时，在涂覆浆液制备过程中，选择合适的研磨粒度，使得催化剂试样在多项介质中得以合理的分散悬浮，确保浆液的一致性和可靠性。一种上述贵金属与非贵金属催化剂分区涂覆的柴油机颗粒捕集器的制备方法，包括以下步骤：(1)配制Al2O3浆液，并将Al2O3浆液涂覆在载体表面，在载体表面制备Al2O3层；(2)配制稀土元素氧化物浆液，并将稀土元素氧化物浆液涂覆在Al2O3层上形成稀土元素氧化物涂层；(3)配制含有贵金属催化剂的浆液和含有非贵金属催化剂的浆液，将含有贵金属催化剂的浆液涂覆在稀土元素氧化物涂层前端，将含有非贵金属催化剂的浆液涂覆在稀土元素氧化物涂层后端。进一步地，所述的Al2O3浆液的制备方法为：将Al2O3和乙酸锆按重量比为0.92～0.98:0.05～0.1加入到去离子水中，充分搅拌均匀，然后滴加硝酸调节浆液pH至5.0以下，并将Al2O3浆液的颗粒度研磨至D90为2～20μm。所述的稀土元素氧化物浆液的制备方法为：将稀土元素氧化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种贵金属与非贵金属催化剂分区涂覆的柴油机颗粒捕集器，其特征在于，包括载体和涂覆在载体上的贵金属催化剂和非贵金属催化剂，所述的贵金属催化剂涂覆在载体的前端，非贵金属催化剂涂覆在载体的后端。/n

【技术特征摘要】
1.一种贵金属与非贵金属催化剂分区涂覆的柴油机颗粒捕集器，其特征在于，包括载体和涂覆在载体上的贵金属催化剂和非贵金属催化剂，所述的贵金属催化剂涂覆在载体的前端，非贵金属催化剂涂覆在载体的后端。


2.根据权利要求1所述的贵金属与非贵金属催化剂分区涂覆的柴油机颗粒捕集器，其特征在于，所述的贵金属催化剂涂覆长度为自载体前端面至载体总长度的1/3，所述的非贵金属催化剂涂覆长度为自载体尾部端面至总长度的2/3。


3.根据权利要求1所述的贵金属与非贵金属催化剂分区涂覆的柴油机颗粒捕集器，其特征在于，所述的贵金属催化剂包括Pt-Pd基贵金属催化剂，Pt-Pd的负载量为10g/ft3～20g/ft3；所述的非贵金属催化剂包括Cs-V基非贵金属催化剂，Cs-V的负载量为30g/ft3～50g/ft3。


4.根据权利要求1所述的贵金属与非贵金属催化剂分区涂覆的柴油机颗粒捕集器，其特征在于，所述的载体呈蜂窝陶瓷壁流式结构，材质为堇青石或SiC，载体孔隙率为50％～60％，载体壁厚为3～10mil，载体孔密度为300～600cpsi。


5.根据权利要求1所述的贵金属与非贵金属催化剂分区涂覆的柴油机颗粒捕集器，其特征在于，所述的载体与催化剂之间还依次设有Al2O3层和稀土元素氧化物涂层。


6.根据权利要求5所述的贵金属与非贵金属催化剂分区涂覆的柴油机颗粒捕集器，其特征在于，所述的稀土元素氧化物包括CeO2或La2O。


7.一种如权利要求1～6任一项所述的贵金属与非贵金属催化剂分区涂覆的柴油机颗粒捕集器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)配制Al2O3浆液，并将Al2O3浆液涂覆在载体表面，在载体表面制备Al2O3层；
(2)配制稀土元素氧化物浆液，并将稀土元素氧化物浆液涂覆在Al2O3层上形成稀土元素氧化物涂...

【专利技术属性】
技术研发人员：楼狄明，张允华，齐博阳，房亮，谭丕强，胡志远，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31