[发明专利]含有纳米级铁-铂族金属颗粒的金属氧化物载体材料

说明书

本发明涉及一种含有具有0.5-10nm的粒度的纳米级铁-铂族金属颗粒的金属氧化物载体材料，其中所有纳米级铁-铂族金属颗粒的至少70%位于该金属氧化物载体材料的外表面层上，其中该外表面层具有基于该金属氧化物载体材料总体积为50%的平均体积。

此外，本发明涉及一种制备该含有纳米级铁-铂族金属颗粒的金属氧化物载体材料的方法。此外，本发明涉及含有纳米级铁-铂族金属颗粒的金属氧化物作为催化剂的用途，例如作为用于处理来自柴油发动机的废气排放物的柴油氧化催化剂的用途。

贫油燃烧(lean burn)发动机，例如柴油发动机和贫油燃烧汽油发动机的操作为使用者提供优异的燃料经济性，且因其在贫燃料条件下以高的空气/燃料比操作而具有非常低的气相烃和一氧化碳排放物。尤其是就其燃料经济性、耐久性及其在低速下产生高转矩的能力而言，柴油发动机也明显优于汽油发动机。

然而，从排放物来看，柴油发动机存在比其火花点火相对物更严重的问题。排放问题与颗粒状物质、氮氧化物(NOx)、未燃烃(HC)和一氧化碳(CO)有关。NOx为用于描述氮氧化物的各种化学物质(尤其包括一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO₂))的术语。

已知包含分散于难熔金属氧化物载体上的贵金属如铁-铂族金属(PGM)的氧化催化剂用于处理柴油发动机的废气，从而通过催化氧化烃和一氧化碳气态污染物而将这些污染物均转化成二氧化碳和水。该类催化剂通常含于称为柴油氧化催化剂(DOC)或更简单地称为催化转化剂的单元中，这些单元置于柴油燃烧发动机的废气流动通道中，以在废气排放于大气之前处理该废气。柴油氧化催化剂通常在其上沉积一种或多种催化剂涂料组合物的陶瓷或金属性基材载体上形成。除了气态HC、CO和颗粒状物质的可溶性有机部份(SOF)的转化外，含有铁-铂族金属(其通常分散于难熔金属氧化物载体上)的氧化催化剂促使一氧化氮(NO)氧化成NO₂。

例如US 5,491,120公开了含有氧化铈和可为二氧化钛、氧化锆、氧化铈-氧化锆、二氧化硅、氧化铝-二氧化硅和α-氧化铝中一种或多种的块状第二金属氧化物的氧化催化剂。

US 5,627,124公开了含有氧化铈和氧化铝的氧化催化剂。其公开了各自均具有至少约10m²/g的表面积。公开的氧化铈与氧化铝的重量比为1.5:1-1:1.5。进一步公开了其可任选含铂。公开的氧化铝优选为活性氧化铝。US 5,491,120公开了含有氧化铈和可为二氧化钛、氧化锆、氧化铈-氧化锆、二氧化硅、氧化铝-二氧化硅和α-氧化铝中一种或多种的块状第二金属氧化物的氧化催化剂。

现有技术显示知晓将包括经金属掺杂的沸石在内的沸石用于处理柴油废气。US 2008/045405公开了一种用于处理废气排放物如氧化未燃烃和一氧化碳并还原氮氧化物的柴油氧化催化剂。更尤其是，US 2008/045405涉及一种包括含两种明显不同的Pt:Pd重量比的两层不同表面涂料(washcoat)层的表面涂料组合物。

PGM为DOC-和三通转化(TWC)应用中的催化活性物质。通常使用铂与钯作为柴油氧化催化剂中的活性金属，而使用铂、钯和铑的组合作为TWC催化剂中的活性金属。CO至CO₂的氧化和烃至CO₂的氧化主要通过铂催化。加入钯减少了铂在难熔金属氧化物载体如γ-Al₂O₃表面上的移动性。此外，在钯的存在下，可减少金属颗粒在较高温度下的烧结。在TWC应用中，此外使用铑催化还原氮氧化物(2NO+2CO→N₂+2CO₂)。

就催化活性而言，要求催化活性物质的表面具可接近性。本领域已知制备柴油氧化催化剂的方法包括(i)使铂和钯盐在水中组合，(ii)将γ-Al₂O₃和其他添加剂加入(i)的溶液中以获得水基淤浆(所谓的表面涂料)。将含PGM的表面涂料调节至特殊黏度。经由浸涂利用含PGM的表面涂料涂覆蜂窝状堇青石并煅烧。在驱散(driveway)期间，PGM离子发生还原。所述方法得到平均直径为1-2nm的非常小的金属性PGM纳米颗粒。由于贵金属溶液移动深入氧化铝孔隙内，甚至进入氧化铝的最内层，随后经还原的PGM纳米颗粒也沉积于此。因此，所得含PGM的氧化铝显示PGM的均匀分布。然而，不能接近位于氧化铝最内层处的PGM而催化。

因此，目的还有以使得可接近性/可用率优化而得到改善的柴油氧化催化剂性能的方式控制活性金属在金属氧化物载体材料上的位置。