[发明专利]非贵金属三效催化剂

说明书

本发明为用于消除内燃机排气中的一氧化碳、烃类和氮氧化物以及净化工业废气的非贵金属催化剂。

在许多用途中内燃机为主要的动力源，但是其排气中所含的燃烧副产物，主要是一氧化碳、烃类、氮氧化物都对环境有不利的影响。同样，从许多制造工业过程中，诸如油漆的制造和使用过程中，所产生的有害气体均会危害环境，消除这些污染的常用方法之一是用催化转化方法，即在发动机排气或工业废气排放入大气之前，先经装有催化剂的催化转化器使之净化。这类催化剂虽然有许多的特定构造，但通常均由含一种或几种贵金属的混合物组成，诸如一层或几层钯、铑或铂分散于多孔的基质上，其中铂与钯主要用于催化氧化以消除烃类和一氧化碳，而铑则作为消除氮氧化物的主要催化活性组分。

在汽车排气转化器中，氮氧化物可经下列反应消除，

已知对于消除NO_X，反应（2）为更有效之途径。故催化作用如按反应（2）进行，则对NO_X的转化效率可以大大提高。但是当用常规的贵金属三效催化剂时，其NO_X的消除主要是经反应（1）进行（参见W.C.Heeks，R.B.Breneman《负载量与还原温度对用于以CO还原NO_X的铑/硅催化剂的效应》;F.C.M.J.M.Van Dielft等《铂铑和不同的Pt-Rh合金表面对氧、氧化氮、一氧化碳和氮的反应活性之俄歇能谱研究》;P.W.Goodman等《在单晶和负载型铑催化剂上一氧化碳、氧和二氧化氮还原的机理，用超真空表面科学解释高压反应速率》）。

使用贵金属催化剂的转化器的固有问题是随着贵金属的供应日益稀缺，其价格日益增高，而且其供产量不足以满足不断增长的需求。为了解决这些问题，已经提出用某些非贵金属催化剂取代贵金属催化剂。但是，这些非贵金属催化剂都未能具备合宜的催化性能以满足现代排放标准的需要。它们不能承受操作中的高空速负荷条件;而且由于现代发动机的排气温度很高，以前提出的非贵金属催化剂，因热稳定性差，显著地缩短了其使用寿命。热稳定性关部分是由于这些以前提出的非贵金属催化剂对温度甚为敏感，导致烧结和再结晶，这就使得单位重量催化剂的催化活性表面积下降。此外，在高温下，某些非贵金属氧化物间能相互反应形成无催化活性之化合物，导致失效。

简而言之，以前尚未曾有过非贵金属催化剂能在下列几方面具备适合之综合性能：即良好的三效催化活性，能承担高空速，起燃温度低，高耐热性，高机械强度。而且还没有一种非贵金属催化剂能具备必要的工作寿命，可以在经济上取代现行的贵金属催化剂。

过去提出的非贵金属催化剂的例子，可见美国专利3，956，189和3，914，389。这些专利中将金属氧化物，如铜、钴与锰的氧化物沉积于不同的常用载体上;或用特定的化合物如镧、铜、锰氧化物，而不用载体。

在美国专利4，637，995、3，498，927、4，631，268和联合王国专利公开号2，612，616中，叙述用不同类型的整块状担体结构物，作为含不同金属的催化剂的基础载体。但是，这些催化剂均有缺点，导致其不合格，未能进入实用。这些缺点包括如上所述之低热稳定、承担之空速低，而且这些过去提出的非贵金属催化剂的转化氮氧化物的能力未能达到三效催化剂作业的要求。

某些过去提出的整块状催化剂担体，亦具备高表面积的载体相，它与陶磁基质在一起，以一种整体非连续相的形态存在。Lachman（美国专利4，631，267）与DeAngelis（美国专利4，637，995）就是用这样的过程和材料。Lachman提出，如用固体起始原料时，在形成最终产品之前，必须使原料充分混合，许多的混合过程是费时的，而且需要特殊装备。

本发明的目的在于提供一种用金属氧化物与稀土金属氧化物作新颖的组合，用以取代贵金属，从而解决了贵金属催化剂的价格和供应的问题，并克服了以往所提出的非贵金属催化剂的缺点。须要指明，本发明中的催化剂在具备优良的转化HC与CO的能力的同时，尤其对NO_X有优异的转化能力。更须指明，本发明中的催化剂有优良的耐热性，能作业至1000℃而不丧失其催化功能或活性。