Катализатор окисления выхлопного газа из системы сгорания сжатого природного газа

Изобретение касается катализатора для улучшения активности окисления метана в выхлопном газе транспортного средства на основе сжатого природного газа или статической системы сгорания в избыточном воздухе, который спроектирован так, что первый оксид алюминия, пропитанный платиной, второй оксид алюминия, пропитанный палладием, и цериевый компонент нанесены на керамическую подложку, и первый оксид алюминия дополнительно пропитан бариевым сокатализатором. Технический результат – увеличение срока службы катализатора, предназначенного для улучшения активности окисления метана в выхлопном газе транспортного средства. 2 з.п. ф-лы, 1 пр., 5 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к катализатору окисления выхлопного газа для системы сгорания сжатого природного газа и более конкретно к катализатору очистки выхлопного газа для двигателя, работающего на бедной смеси на основе сжатого природного газа, где традиционный катализатор очистки выхлопного газа для двигателя, работающего на бедной смеси на основе сжатого природного газа, с компонентами-благородными металлами, включающими платину и палладий, дополнительно пропитан определенным компонентом, служащим в качестве сокатализатора, для предотвращения, таким образом, дезактивации катализатора.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Применение CNG (сжатого природного газа) в качестве топлива в системе сгорания, включающей автомобильный двигатель, является экологически безопасным, приносит экономическую выгоду и характеризуется низкой эмиссией токсичных веществ, таких как НС, СО и ТЧ (твердые частицы), что приводит, таким образом, почти к полному отсутствию запахов и дымов выхлопного газа. В настоящем изобретении система сгорания включает автомобильный двигатель, и в некоторых случаях система сгорания, отличная от системы сгорания для транспортного средства, также называется статической системой сгорания, отличающейся от системы сгорания для транспортного средства, то есть динамической системы сгорания.

В предшествующем уровне техники в отношении катализатора очистки выхлопного газа для транспортного средства на основе сжатого природного газа и способа его очистки, в Корейском патенте №670221, настоящим заявителем в качестве катализатора окисления выхлопного газа для транспортного средства на основе сжатого природного газа с компонентами-благородными металлами, включающими палладий и платину, описывается катализатор для улучшения активности окисления выхлопного газа транспортного средства на основе сжатого природного газа, который спроектирован таким образом, что первый оксид алюминия, пропитанный палладием, второй оксид алюминия, пропитанный платиной, CeO₂-ZrO₂ цериевый композит и оксид никеля наносятся на керамическую подложку. Кроме того, как описано настоящим заявителем в Корейском патенте №1524054, катализатор окисления выхлопного газа для системы сгорания сжатого природного газа, в частности катализатор для улучшения активности окисления выхлопного газа транспортного средства на основе сжатого природного газа или статической системы сгорания в избыточном воздухе, спроектирован так, что первый оксид алюминия, пропитанный палладием, второй оксид алюминия, пропитанный платиной и цериевый компонент нанесены на керамическую подложку, и первый оксид алюминия пропитан сокатализатором, выбранным из группы, состоящей из бария, никеля, лантана, самария и иттрия, с целью улучшения активности окисления метана, который является компонентом выхлопного газа транспортного средства на основе сжатого природного газа или статической системы сгорания в избыточном воздухе.

ОПИСАНИЕ

ТЕХНИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМА

В настоящее время эффективный катализатор для очистки CNG выхлопного газа GNG двигателя, работающего на бедной топливной смеси, является проблемой с точки зрения продолжительности срока службы катализатора, то есть дезактивации катализатора. Причины дезактивации катализатора на основе платины/палладия для очистки выхлопного газа двигателя, работающего на бедной смеси на основе CNG, не были точно идентифицированы. Настоящий заявитель разработал катализатор для решения проблемы дезактивации катализатора для двигателя, работающего на бедной смеси на основе CNG, таким образом, что в катализаторе окисления выхлопного газа для системы сгорания сжатого природного газа, спроектированном так, что первый оксид алюминия, пропитанный палладием, второй оксид алюминия, пропитанный платиной, и цериевый компонент нанесены на керамическую подложку, первый оксид алюминия, пропитанный палладием, дополнительно пропитан сокатализатором, выбранным из группы, состоящей из бария, никеля, лантана, самария и иттрия, но решение проблемы, связанной с дезактивацией катализатора, все еще является необходимым.

ТЕХНИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ

Таким образом, настоящее изобретение направлено на то, чтобы предложить композицию катализатора для предотвращения дезактивации катализатора очистки выхлопного газа для системы сгорания сжатого природного газа с компонентами-благородными металлами, включающими платину и палладий. Авторы настоящего изобретения достоверно установили, что бариевый компонент, выступающий в качестве сокатализатора, добавляют к подложке, содержащей нанесенную на нее платину, для увеличения, таким образом, продолжительности срока службы катализатора, по сравнению с общепринятым уровнем техники. В частности, в катализаторе окисления выхлопного газа для системы сгорания сжатого природного газа, спроектированном так, что первый оксид алюминия, пропитанный платиной, второй оксид алюминия, пропитанный палладием, и цериевый компонент нанесены на керамическую подложку, первый оксид алюминия, пропитанный платиной, дополнительно пропитан бариевым сокатализатором, для подтверждения предотвращения дезактивации катализатора для двигателя, работающего на бедной смеси на основе CNG. Не ограничиваясь этим вариантом, в настоящем изобретении массовое соотношение платины и палладия, пропитывающих соответственно первый оксид и второй оксид алюминия, находится в диапазоне от 1:1 до 1:10. Согласно настоящему изобретению бариевый сокатализатор добавляют в количестве от 1 до 20 мас. % относительно количества платины, и массовое соотношение оксида алюминия, пропитанного платиной, и оксида алюминия, пропитанного палладием, находится в диапазоне от 15:15 до 15:150.

ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЕ ЭФФЕКТЫ

Согласно настоящему изобретению дезактивацию катализатора для двигателя, работающего на бедной смеси на основе CNG, можно предотвратить посредством взаимодействия платины и бариевого сокатализатора.

ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

На Фиг. 1-4 показаны результаты изучения каталитической активности с течением времени в катализаторе окисления выхлопного газа двигателя, работающего на бедной смеси на основе CNG, в примерах согласно настоящему изобретению; и

На Фиг. 5 схематически показано тестирование продолжительности срока службы катализатора окисления выхлопного газа двигателя, работающего на бедной смеси на основе CNG, согласно настоящему изобретению.

ЛУЧШИЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

В дальнейшем будет приведено подробное описание настоящего изобретения, не ограничиваясь его вариантами осуществления.

Как описано выше, катализатор для очистки выхлопного газа двигателя, работающего на бедной смеси на основе CNG, состоит главным образом из платины (Pt) и палладия (Pd). Самый последний разработанный катализатор спроектирован так, что сокатализатор вводят к Pd на основании того факта, что Pd обладает превосходными свойствами окисления, по сравнению с Pt, с точки зрения эффективности преобразования метана. В частности, к подложке, содержащей нанесенный на нее Pd, добавляют сокатализатор, такой как барий, никель, лантан, самарий или иттрий, где компонент-сокатализатор способствует увеличению продолжительности срока службы катализатора в результате изменения электронного состояния Pd вследствие комплексообразования. Однако, авторы настоящего изобретения неожиданно установили, что продолжительность срока службы катализатора может быть увеличена в результате введения компонента-сокатализатора, в частности бария, рядом с платиновым компонентом, а не палладием.

Согласно настоящему изобретению катализатор получают посредством пропитывания первого оксида алюминия Pt и предшественником сокатализатора, в частности ацетатом бария, и одновременного пропитывания второго оксида алюминия Pd, посредством смешивания первого оксида алюминия со вторым оксидом алюминия и добавления к ним церия с последующим равномерным измельчением и обжигом. Предпочтительно, массовое соотношение платины и палладия, пропитывающих соответственно первый оксид и второй оксид алюминия, находится в диапазоне от 1:1 до 1:10, и бариевый сокатализатор дополнительно добавляют в количестве от 1 до 20 мас. % относительно количества платины к подложке, содержащей нанесенную на нее платину, и массовое соотношение оксида алюминия, пропитанного платиной и барием, и оксида алюминия, пропитанного палладием, находится в диапазоне от 15:15 до 15:150. Если количество сокатализатора согласно настоящему изобретению меньше чем 1 мас. % относительно количества платины, то сокатализатор не функционирует. С другой стороны, если его количество превышает 20 мас. % относительно количества платины, то продолжительность срока службы значительно ухудшается. Катализатор согласно настоящему изобретению спроектирован так, что бариевым сокатализатором пропитывают только подложку, пропитанную платиной, и его не наносят на подложку, пропитанную другим благородным металлом, например, палладием, в отличие от недавно разработанного катализатора на основе палладия и сокатализатора. Указанное выше массовое соотношение оксида алюминия, пропитанного платиной и барием, и оксида алюминия, пропитанного палладием, является оптимальным диапазоном, установленным в результате целого ряда испытаний. Несмотря на то, что это не оговорено ни в одной конкретной теории, компонент-сокатализатор увеличивает продолжительность срока службы катализатора в результате взаимодействия с платиновым компонентом. Катализатор по изобретению не дезактивируется, и его активность сохраняется даже после истечения времени реакции, в отличие от традиционного катализатора для очистки выхлопного газа двигателя, работающего на бедной смеси на основе CNG. На Фиг. 1-4 показана каталитическая активность с течением времени в катализаторе для очистки выхлопного газа двигателя, работающего на бедной смеси на основе CNG, в примерах согласно настоящему изобретению. На основании результатов тестирования, показанных на Фиг. 1-4, катализатор согласно настоящему изобретению о гидротермально состаривали при 850°С/10 ч с 10% воды путем подачи 5000 млн^-1 СН₄, 15% О₂, 10% Н₂О, и баланса N₂ при объемной скорости (SV) 60000 ч^-1. В этом случае дельта Т обозначает разницу температур вывода и ввода катализатора. На Фиг. 5 схематически показано тестирование продолжительности срока службы. Сокатализатор по настоящему изобретению, а именно барий, дополнительно вводят в подложку, пропитанную платиной. Эффект предотвращения дезактивации, обусловленный сокатализатором Ва, добавленным к платиновому компоненту, значимо увеличивает продолжительность срока службы, по сравнению с сокатализатором Ва, традиционно добавляемым к палладиевому компоненту.

Лучшее понимание настоящего изобретения будет обеспечено с помощью следующих примеров, которые не следует рассматривать как ограничивающие настоящее изобретение. В частности, благородный металл и предшественник металла, используемый для сокатализатора, не ограничиваются примерами, могут быть использованы нитрат, ацетат, хлорид, сульфат и тому подобное. С целью краткого описания в качестве примера приводится транспортное средство с двигателем, работающим на бедной смеси, но настоящее изобретение не ограничивается им, и его можно применять ко всем системам сгорания, использующим в качестве топлива сжатый природный газ.

Сравнительный пример 1 (CNG-Сравнение)

а. 15,0 г/л порошка первого оксида алюминия пропитывают хлорплатиновой кислотой и 80,0 г/л порошка второго оксида алюминия пропитывают нитратом палладия и ацетатом бария (в количестве 10 мас. % относительно количества Pd), получая, таким образом, Pt-пропитанный активный оксид алюминия и Pd-Ba-пропитанный активный оксид алюминия, порошок церия (оксид алюминия 5 мас. %) диспергируют в воде с получением суспензии. Массовое соотношение Pt и Pd в этом случае составляет 1:5.

6. Суспензию измельчают так, что примерно 90% имеет размер частиц от 6 до 8 мкм, обработанную суспензию наносят на сотовую структуру на основе кордиерита, сушат при 150-160°С в течение примерно 10 мин и затем обжигают при 530-550°С в течение примерно 40-60 мин, завершая, таким образом, сравнительный катализатор.

Сравнительный пример 2

Проводят такие же процедуры, как и в сравнительном примере 1, за исключением того, что количество бария изменяют до 1 мас. %, 5 мас. % и 20 мас. % относительно количества Pd. Результаты показаны на Фиг. 1. Когда количество бария составляет 20 мас. % или более, то продолжительность срока службы резко ухудшается. Количества бария 1 мас. % и 5 мас. % не оказывают большого влияния на продолжительность срока службы. Таким образом, катализатор по настоящему изобретению разрабатывают относительно 1 мас. % бария.

Сравнительный пример 3

Проводят такие же процедуры, как и в сравнительном примере 1, за исключением того, что количество бария устанавливают на уровне 1 мас. % относительно количества Pd и массовое соотношение Pt и Pd изменяют с 1:5 до 1:6, 1:7, 1:8 и 1:9. Результаты показаны на Фиг. 2. Продолжительность срока службы оптимизирована при соотношении 1Pt/7Pd. Таким образом, катализатор по настоящему изобретению разрабатывают из расчета lPt/7Pd.

Сравнительный пример 4

Проводят такие же процедуры, как и в сравнительном примере 1, за исключением того, что количество бария устанавливают на уровне 1 мас. % относительно количества Pd, массовое соотношение Pt и Pd устанавливают на уровне 1:7, количество порошка второго оксида алюминия, наносимое на Pd, изменяют с 80 г/л до 100 г/л, 120 г/л и 140 г/л. Результаты показаны на Фиг. 3. Продолжительность срока службы оптимизирована при 120 г/л. Таким образом, катализатор по настоящему изобретению разрабатывают, основываясь на этих данных.

ПРИМЕРЫ

На основе описанных выше сравнительных примеров катализатор на основе платины и бария получают в условиях, при которых количество бария устанавливают на уровне 1 мас. % относительно количества Pt, массовое соотношение платины и палладия составляет 1:7, количество порошка второго оксида алюминия в качестве палладиевой подложки устанавливают на уровне 120 г/л, и изменяют положение бариевого сокатализатора при пропитывании, после чего измеряют продолжительность срока службы катализатора. Результаты показаны на Фиг. 4., Продолжительность срока службы катализатора неожиданно увеличивается при изменении положения бариевого сокатализатора при пропитывании с палладия на платину. Несмотря на то, что специалисты в данной области рассматривали вклад сокатализатора в продолжительность срока службы катализатора за счет изменения электронного состояния в результате комплексообразования с палладием, неожиданно было подтверждено, что дезактивацию катализатора можно предотвратить посредством пропитывания бариевым сокатализатором совместно с платиной.

1. Катализатор для улучшения активности окисления метана в выхлопном газе транспортного средства на основе сжатого природного газа или статической системы сгорания в избыточном воздухе, который спроектирован так, что первый оксид алюминия, пропитанный платиной, второй оксид алюминия, пропитанный палладием, и цериевый компонент нанесены на керамическую подложку, и первый оксид алюминия дополнительно пропитан бариевым сокатализатором.

2. Катализатор по п. 1, где сокатализатор добавляют в количестве от 1 до 10 мас.% относительно количества платины.

3. Катализатор по п. 1, где массовое соотношение платины и палладия, пропитывающих соответственно первый оксид алюминия и второй оксид алюминия, составляет от 1:1 до 1:10.