[发明专利]包含铂族金属纳米粒子的柴油机氧化催化剂

说明书

本发明涉及柴油机氧化催化剂组合物和催化剂制品，其中所述组合物和制品包括许多基本为完全还原形式的铂族纳米粒子，其中所述纳米粒子具有大约1至大约10nm的平均粒度且至少大约90％的纳米粒子具有平均粒度+/‑大约2nm的粒度。这样的组合物可进一步包括耐火金属氧化物材料，其中所述纳米粒子和耐火金属氧化物材料可合并在基底上的同一涂层内或可相继施加在基底上。所述纳米粒子有利地基本不含卤化物、碱金属、碱土金属、硫化合物和硼化合物。在本文中还提供了制备和使用这样的组合物和催化剂制品的方法(例如用于处理柴油机排气料流)。

发明领域

本发明涉及具有高铂金属浓度的胶体铂金属纳米粒子用于柴油机氧化催化剂组合物的用途、这样的催化剂组合物的制备方法和用途、和使用这样的催化剂组合物的催化剂制品和系统。

发明背景

柴油机的排放物包括颗粒物(PM)、氮氧化物(NO_x)、未燃烃(HC)和一氧化碳(CO)。NO_x是用于描述氮氧化物的各种化学物类的术语，尤其包括一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO₂)。排气颗粒物的两种主要组分是可溶有机成分(SOF)和干炭或烟炱成分。SOF成层凝结在烟炱上，并通常源自未燃柴油燃料和润滑油。SOF可以根据排气的温度以蒸气或以气溶胶(即液体冷凝物的微滴)形式存在于柴油机排气中。烟炱主要由碳粒子构成。

铂族金属(PGM)，特别是铂(Pt)基和铂/钯(Pt/Pd)基催化剂可用于处理柴油机的排气，以通过催化这些污染物氧化成二氧化碳(CO₂)和水(H₂O)而除去烃(HC)和一氧化碳(CO)。此外，含有铂的氧化催化剂促进NO氧化成NO₂。催化剂通常通过它们的起燃(light-off)温度或达到50％转化率时的温度(也称作T₅₀)定义。此类催化剂可以包含在柴油机氧化催化剂(DOC)系统、催化剂滤烟器(CSF)系统或综合DOC-CSF系统内。将这些催化剂系统置于来自柴油机动力系统的排气流径中以在其排放到大气中之前处理所得排气。通常，柴油机氧化催化剂沉积在陶瓷或金属基底上。

通过主动或被动再生实现柴油机除烟。通过在DOC入口喷入额外柴油燃料进行主动烟炱再生，且通过燃料燃烧释放的放热显著提高下游CSF处的温度和引发通过O₂燃烧烟炱(C+O₂→CO/CO₂)。这一反应通常需要超过600℃的温度。被动烟炱再生利用NO₂而非O₂来氧化烟炱(C+NO₂→CO/CO₂+NO)。这一反应在T>300℃下变得相当有效并通常可以在正常驾驶过程中实现，而不需要造成燃料罚款的燃料喷射。在当前的重型柴油车和轻型柴油车中，一些制造商主要为他们的系统设计采用被动再生策略，即与低烟炱排放结合的高发动机输出NOx。但是，NO₂通常构成总发动机输出NOx的<10％。为了最大化被动除烟，必须通过NO的氧化形成额外的NO₂。

铂(Pt)仍是用于将NO氧化成NO₂的最有效的铂族金属，且被动重型柴油机系统的温和老化条件(～550°)使其特别合适。即使对于DOC排气温度可达800℃的轻型柴油机系统，也可以使具有富Pt区的催化剂设计热耐久。NO氧化已被广泛报道对Pt结构敏感，即周转频率(TOF)极大依赖于Pt粒度(B.M.Weiss,E.Iglesia,J.Phys.Chem.C,2009,30,13331-13340)。此外，完全还原的金属Pt表面对NO氧化最有活性。在本领域中仍然需要满足越来越严格的法规的新型DOC催化剂制剂。具有高金属含量(例如高铂含量)的胶体铂族金属纳米粒子(PGMNPs)可用于制备这样的DOC组合物。

发明概述