[发明专利]一种用于汽车内燃机尾气净化的催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种环保领域的催化剂及其制备方法，尤其适用于汽车内燃机尾气净化的催化剂制备方法。

背景技术

汽车是现代社会最普及的交通工具，由此带来的环境问题是不容忽视的。汽车的使用对环境的污染主要有噪音污染和尾气排放造成的空气污染。汽车排放的污染物主要来源于内燃机，其有害成分中CO、HC及NOx是汽车污染控制的主要大气污染成分，对人类的健康危害很大。在我国，汽车尾气净化是解决尾气排放污染的最有效方法，已成为一项刻不容缓的任务。

汽车尾气污染控制可分为机内控制和机外控制两种。通过改善催化剂及其载体的性能和生产工艺，改善汽车内燃机燃烧技术，可提高三效催化剂排气系统处理净化有害气体的能力。安装催化净化器，对有害气体进行处理是机外尾气净化最有效的方法，催化剂又是净化效果的关键。因此开发实用高效的汽车尾气净化催化剂是控制汽车尾气排放的最佳措施之一。

汽车尾气催化净化就是将有害的CO和HC氧化为CO₂和H₂O，将NOx还原成N₂。催化剂在功能上分为氧化型和还原型两部分。随着发动机和催化剂制备技术的改进，实现了可兼容两种功能的化学环境，即氧化与还原两种活性中心共存于同一个催化剂上，出现了三效催化剂TWC(three-way catalyst)。目前最常用的催化器是使用蜂窝型催化(honeycomb catalyst)。陶瓷蜂窝体为载体，其外附载有高比表面积的氧化铝涂层，再浸渍活性组分。所以，汽车尾气净化催化剂主要由载体、涂层及活性物质三部分组成。

国外汽车尾气催化剂研究开发共经历了：氧化型催化剂、双金属催化剂、三金属催化剂、三效钯催化剂和NOx存储还原型三元催化材料等五个阶段，概况为一段净化法、两段净化法和三元催化法。国内从上世纪80年代中期开始汽车尾气污染控制研究。主要分为贵金属催化剂和非贵金属催化剂两种，采用该技术的反应在通常条件下进行的很慢。

20世纪70年代末至80年代初出现的是双床式铂、铑催化剂，催化剂的氧化还原反应是分段进行的，还原型催化剂位于前段，与后段氧化型催化剂由补充空气隔开。这种设置有利于自身在化学气氛中进行。典型催化剂为Pt-Rh。前段中CO将NOx还原N₂，后段将CO和HC氧化为CO₂和H₂O。但该种催化结构复杂，操作麻烦，且NOx还原后有可能重新被氧化。

20世纪80年代中期到90年代初，开始使用新一代的Pt-Rh-Pd三效催化剂。这一代催化剂钯在内层有更好的耐热稳定性；铑在外层更有利于NOx的还原；铂在钯铑间起积极的协调作用。可同时对CO、HC和NOx有作用，故催化剂的性能有了明显改善。但三元催化剂容易发生热老化和中毒。在此基础上进一步研发了NOx存储还原型三元催化材料。该催化剂由贵金属、碱金属或碱土金属、稀土氧化物组成。基本原理是：排出气体稀薄气氛时吸附NOx，浓气氛时将NOx还原为N₂。富氧条件下NOx首先在贵金属上被氧化，然后与NOx存储物发生反应，形成硝酸盐。

研究发现，温度越低催化活性越高，且与贵金属钯、铂、铑的粒径呈线性关系。因此，贵金属呈纳米超细微粒分散在氧化铝中可提高催化活性。为增强Al₂O₃稳定性且熔点高于Pt本身，向其中添加了稀土及Rh、Ir、Ru等其他贵金属。负载Pd催化剂虽具有较高的催化活性和较好的低温活性，但其成本高、抗烧结和抗硫中毒能力较差。

向催化剂中加非贵金属化合物，常见的为稀土氧化物，取代或者部分取代催化剂中的贵金属，提高催化剂活性的同时降低催化剂的成本。以稀土复合氧化物催化剂La-Co/γ-Al₂O₃为代表。结合纳米材料高表面活性与稀土催化剂的特性制得纳米稀土三效催化剂，能提高催化剂低温效果和延长催化剂寿命。

由上可知，一方面需要催化剂的冷启动时低温活性好、转化率高，且不易发生热失效和中毒失效；另一方面，其制备过程必须成本合理，且制造工艺不能太复杂。实现如上的目标成为亟待解决的问题。

发明内容