[发明专利]一种用于汽车尾气净化的催化剂及其涂层材料、制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明涉及汽车尾气催化剂技术领域，具体涉及一种用于汽车尾气净化的催化剂及其涂层材料。

背景技术

汽车尾气污染主要是指柴油、汽油等机动车燃料因含有添加剂和杂质，在不完全燃烧时，所排出的一些有害物质对环境及人体的污染和破坏。这些有害物质可分为气体和颗粒物两大类。气体主要包括一氧化碳(CO)、氮氧化合物(NO_x)和碳氢化合物(HC)等，已成为城市大气污染的主要污染源。安装机外汽车尾气催化净化器是国际公认的减少汽车尾气中CO、NO_x和HC等有毒有害成分最有效的措施，其核心是催化剂的制备。

目前汽车上大量使用的尾气催化器一般是将催化活性成分或助剂负载在粘结剂上，制成涂层，然后涂覆在载体材料上。其中所用的催化活性成分一般都是贵金属，如Rh-Pt、Rh-Pd、Rh-Pt-Pd、Pt-Pd、Pd、Rh等，助剂一般为稀土元素，如Ce、Zr等元素的氧化物或固溶体，粘结剂一般为γ-Al₂O₃，载体一般为蜂窝状的堇青石或γ-Al₂O₃。为了抑制高温下贵金属合金化导致的活性降低，目前的三元催化器通常都采用双涂层结构或三层结构，这种结构设计在很大程度上提高了催化剂的高温抗老化能力和催化能力。

然而，由于贵金属资源短缺，价格昂贵，导致三元催化器的成本高居不下，人们在开发高性能催化剂的同时，也将如何降低催化剂的制造成本作为一项重要研究课题。

发明内容

本发明针对现有贵金属催化剂涂层制造成本高的问题，提供了一种完全基于稀土金属和过渡金属等贱金属元素的、低成本、高效率的汽车尾气净化催化剂及其涂层材料。

本发明提供了一种用于汽车尾气净化的催化剂涂层材料。

本发明提供的催化剂涂层材料包括上下两层；其中，下层为储氧层，上层为催化活性层。所述储氧层由稀土金属或过渡金属中一种或几种的氧化物均匀负载于多孔矿物微粒上所得。所述催化活性层由过渡金属中一种或几种的氧化物均匀负载于多孔矿物微粒上所得。本发明所述的催化剂涂层材料完全基于稀土和过渡金属元素，不含贵金属，制造成本低。

本发明所述储氧层中，所述稀土金属选自La、Ce中的一种或两种；所述过渡金属选自Fe、Co、Ni、Cu、Mn中的一种或多种，优选为Co、Mn中的一种或两种。

本发明所述催化活性层中，所述过渡金属选自Fe、Co、Cu、Mn中的一种或多种，优选为Co、Mn中的一种或两种。

本发明所述稀土元素和过渡金属元素均以氧化物形式存在。所述金属氧化物包括La的氧化物La₂O₃、Ce的氧化物CeO₂、Co的氧化物Co₂O₃、Mn的氧化物MnO₂等。

作为本发明的优选方案，所述储氧层由CeO₂和La₂O₃中的一种或两种均匀负载于多孔矿物微粒上形成，所述催化活性层由Co₂O₃或MnO₂均匀负载于多孔矿物微粒上形成。

本发明所述多孔矿物微粒的粒径优选为5～15μm，比表面积为100m²/g以上。具体的，所述多孔矿物微粒可选自高岭土、膨润土、活性白土、蒙脱石、伊利石等。所述多孔矿物微粒孔洞丰富，比表面积大，金属元素的负载量大，催化点位多，且由于涂层材料的上下层均含有所述多孔矿物微粒，可以使上层的催化活性层和下层的储氧层具有很好的协同催化作用，催化转化效率高。

为了提高所述催化剂涂层整体的催化效率，本发明对各涂层的物质组成和比例进行优选。具体而言，所述储氧层中，金属氧化物与多孔矿物微粒的质量比优选为2:1～6。所述催化活性层中，金属氧化物与多孔矿物微粒的质量比优选为1:1～3。

进一步地，为了确保所述催化剂涂层材料的整体催化效果，本发明对上下两层的涂布方式以及两层之间的涂布比例进行优选。具体而言，所述储氧层与催化活性层的厚度之比优选为2：1～2。在该厚度比范围内催化剂涂层材料可以有效地发挥催化作用，且用量合理，不会造成原料的浪费。本发明提供的催化剂涂层材料中，所述储氧层的实际厚度优选为2～4μm，所述催化活性层的实际厚度优选为2μm。