[发明专利]具有一种上游单层催化剂的三效催化系统

说明书

技术领域

本发明总体上涉及用于处理含有烃类、一氧化碳以及氮氧化物的气态蒸汽的层状催化剂。更确切地说，本发明是针对具有一种上游单层催化剂和一种下游多层催化剂的三效转化催化剂（TWC）。

背景和现有技术

当前的TWC催化剂用于来自奥托（Otto）四冲程循环发动机的移动排放控制。技术已经得到了很好地开发，使得在加热至工作温度大于250摄氏度之后，对CO、HC（烃类）以及NOx（氮氧化物）的减少排放能力大于99%。典型的TWC催化器构型由机动车辆排气管线中的单块或多块系统组成。如果使用多于一种催化剂，这些催化剂可以位于一个单转化器中，对接在一起，或者被分离的转化器中限定的空间分离。用于大且较冷的发动机的常见的设计是在一个热的紧密耦合（CC）位置（接近歧管）具有一个转化器并且在该冷却器底座（UB）位置有第二转化器。由于几乎所有移动排放控制系统在本质上是被动的，如EP1900416中披露的加热至催化剂工作温度是关键的，以其为依据并且通过引用以其全文结合于此。

因此，CC催化剂设计经常由利于快速加热的特征如轻型、小型的基底（低热惯性）、高泡孔密度（改进的质量和热转移）以及高的铂族金属（PGM；如铂、钯、铑、铼、钌和铱）负载组成。另一方面，该UB催化剂可以是大容量和低泡孔密度的（低压降），并且更经常地是包含低PGM负载。对于在高RPM下运行的小型机动车辆，通常仅使用一个转化器，经常定位在该CC位置内。接近该歧管来定位催化剂的一个缺点是增加的热降解以及更快的活性损失，尤其是在高负载/高速条件下，这些条件导致载体表面积或孔体积的损失以及该PGM的快速烧结。

现代TWC催化剂使用多种策略来限制或者减慢热降解，如用于这些PGM的高度表面积稳定的氧化铝载体，添加提高性能并且以较慢速率降解的促进剂以及稳定剂以及先进的储氧成分（OSC）（例如参见US5672557，以其为依据并且通过引用以其全文结合于此）。

在本领域中，已经使用某些设计策略来平衡性能与相关联的成本。这些策略包括选择PGM类型以及分布、基底体积、泡孔密度、WC分层以及不同WC层的组合。

如果使用多块系统，一种用于TWC技术的重要的设计特征由以下组成：在分离的WC层和/或分离的块中该PGM和载体涂料（WC）成分的适当的分离以及构造。大多数现代TWC催化剂可以具有一个至多个WC层，最常见的是2层系统。例如参见EP1541220、US5981427、WO09012348、WO08097702、WO9535152、US7022646、US5593647，以其为依据并且通过引用以其全文结合于此。

对于这些PGM，最常见的策略是将Rh和任选地Pt成分定位在顶部或第二WC层，而Pd优选地定位在底部或第一WC层（例如，参见US5593647）。这些WC成分和PGM的分离还可以通过单块的分区实现，由此一个WC层的前或后区或区段可以由不同的载体成分或不同的PGM成分或更多通常不同浓度的给定的PGM如Pd组成。PGM在层或区内分离的一个优点是可以使用对每个PGM更适宜的载体和促进剂以便使整体性能最佳化。

在本发明之前，研究人员已经被某些WC组合物构型吸引，这些WC组合物构型作为代表最佳性能的优选的构型而被传授。因此，对于双层UB催化剂来说，Rh不变地定位在该顶（第二）层，可任选地Pt也存在，而Pd定位在该第一或底层（例如，参见US5593647）。此外，该顶（第二）层和底（第一）层理论上包含一种高表面积的耐高温（refraction）氧化物载体，如具有更多添加的促进剂、稳定剂以及一种适合的储氧成分（OSC）的一种γ或γ/θ/δ氧化铝。这个WC设计被Sung等（US6087298）以及Hu等（US6497851）详细地描述，出于参考的目的特此包括。Sung等和Hu等还描述了用于在该排气流入口处的这些CC催化剂或区的优选的WC组合物以及构型。因此，对于该入口CC或入口（前）区，该WC设计优选地不含OSC并且由一种高表面积耐高温氧化物载体，如具有适合的稳定剂和添加剂的一种γ或θ/δ氧化铝组成。另一方面，优选地是具有存在于底或顶层的一种OSC的后催化剂、区或UB催化剂。这些或其他特征被Hu等作为实例以及引用于其中的参考文献来进行描述。

在该TWC催化剂领域内，需要新的技术与WC构型和系统来满足越来越严格的排放标准以及对减慢催化剂钝化的需求，并且在低PGM负载下实现不断增加的性能。

发明概述