[发明专利]含有金属的沸石催化剂

说明书

本申请是基于申请号为201380025892.4、申请日为2013年4月11日、发明名称为“含有金属的沸石催化剂”的中国专利申请的分案申请。

发明背景

A.)应用领域：

本发明涉及催化剂、系统和方法，其可用于处理作为烃燃料的燃烧结果而产生的废气，和特别是含有氮氧化物的废气，例如柴油发动机所产生的废气。

B.)相关技术说明：

多数燃烧废气的最大部分包含相对良性的氮气(N₂)、水蒸汽(H₂O)和二氧化碳(CO₂)；但是废气也包含相对小部分的有害和/或有毒物质，例如来自不完全燃烧的一氧化碳(CO)，来自未燃烧燃料的烃(HC)，来自过高燃烧温度的氮氧化物(NO_x)，和微粒物质(主要是烟灰)。为了减轻释放到大气中的废气对于环境的影响，需要消除或减少这些不期望的组分的量，优选通过不会再产生其他有害或有毒物质的方法。

最难以从车辆废气中要除去的组分之一是NO_x，其包括一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO₂)和一氧化二氮(N₂O)。将例如由柴油发动机产生的贫燃废气中NO_x还原成N₂特别成问题，因为废气包含足够的氧来支持氧化反应，而不是还原。但是，NO_x可以在柴油机废气中通过通常称作选择性催化还原(SCR)的方法来还原。SCR方法包括在催化剂存在下和借助于还原剂，将NO_x转化成单质氮(N₂)和水。在SCR方法中，在废气与SCR催化剂接触之前将气态还原剂例如氨添加到废气流中。还原剂被吸收到催化剂上，当气体经过催化基底之中或之上时，发生NO_x还原反应。使用氨的化学计量的SCR反应的化学方程式是：

2NO+4NH₃+2O₂→3N₂+6H₂O

2NO₂+4NH₃+O₂→3N₂+6H₂O

NO+NO₂+2NH₃→2N₂+3H₂O

已知的SCR催化剂包括沸石和其他分子筛。分子筛是具有明确结构的微孔结晶固体，并且通常在它们的骨架中包含硅、铝和氧，也可以在它们的孔中包含阳离子。分子筛的定义特征是它的结晶或赝晶体结构，其通过经由氧原子互连的二氧化硅和氧化铝四面体单元以规则和/或重复的方式来形成分子多孔骨架而形成。被国际沸石协会(IZA)结构委员会所认可的独特的骨架被赋予三个字母代码，来命名骨架类型，例如CHA(菱沸石)、BEA(β)和MOR(丝光沸石)。

分子多孔骨架具有几立方纳米量级的体积和几埃直径量级的孔开口(也称作“孔”或“穴”)。孔开口可以通过它们的环尺寸来定义，这里例如术语“8环”指的是由8个四面体配位的硅(或铝)原子和8个氧原子构成的封闭回路。在某些沸石中，孔开口排列在骨架内来产生一个或多个通道，其延伸穿过骨架，因此产生了这样的结构：基于该通道和分子或离子物质的相对尺寸，限制不同的分子或离子物质进入或者通过分子筛。分子筛的尺寸和形状部分地影响它们的催化活性，这是因为它们对反应物施加了空间影响，控制了反应物和产物的接近。例如，小分子如NO_x可以典型地进入和离开孔，和/或可以扩散穿过小孔分子筛(即具有八个四面体原子的最大环尺寸的骨架的那些)的通道，而较大分子例如长链烃则不能。此外，分子筛的部分或者完全脱水会产生与分子尺寸的通道交错的晶体结构。

已经发现，具有小孔骨架(即含有最大为8的环尺寸)的分子筛在SCR应用中特别有用。小孔分子筛包括具有以下结晶结构类型的那些：CHA、LEV、ERI和AEI。此外，沸石中氧化铝和二氧化硅的相对量可以通过二氧化硅与氧化铝之比(SAR)来表征。通常，随着沸石的SAR增加，该沸石变得更为水热稳定。因为离开移动贫燃发动机例如柴油发动机的废气温度经常是500-650℃或更高，和典型地包含水蒸汽，因此水热稳定性是SCR催化剂设计中的一个重要考虑因素。