Die
offenbarten Abgasbehandlungselemente sollen einen oder mehrere Nachteile
der Systeme des Standes der Technik überwinden.
Zusammenfassung
der Erfindung
Ein
Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist ein Verfahren zur Herstellung
eines Abgasbehandlungskatalysators auf. Das Verfahren kann die Verteilung
eines metallbasierten Materials in einem ersten Lösungsmittel
aufweisen, um eine erste Schlämmung
(slurry) zu bilden und um zu gestatten, dass eine Polymerisation
der ersten Schlämmung auftritt.
Eine Polymerisation der ersten Schlämmung kann abgeschreckt werden,
und die erste Schlämmung
kann zu einem Feststoff härten.
Dieser Feststoff bzw. Festkörper
kann in einem zweiten Lösungsmittel
erneut verteilt werden, um eine zweite Schlämmung zu bilden. Zu der zweiten
Schlämmung kann
ein silberbasiertes Material hinzugegeben werden und ein mit Silber
versetztes Pulver kann in der zweiten Schlämmung geformt werden.
Ein
zweiter Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann ein Verfahren zur
Herstellung eines Abgasbehandlungskatalysators aufweisen. Das Verfahren
kann aufweisen, ein Katalysatorträgermaterial zu liefern und
selektiv Silberstellen auf dem Katalysatorträgermaterial zu sulfieren, um
den Katalysator zu bilden.
Ein
dritter Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann ein Abgasbehandlungselement
aufweisen, welches ein Substrat und ein Katalysatorträgermaterial
aufweist, das auf dem Substrat angeordnet ist. Eine Menge an Silbersulfat
kann in dem Katalysatorträgermaterial
verteilt werden, um einen Katalysator zu bilden. Ein vierter Aspekt
der vorliegenden Erfindung kann ein Abgasbehandlungssystem aufweisen, welches
eine Abgasleitung und ein Abgasbehandlungselement aufweist, das
in der Abgasleitung verteilt ist. Das Abgasbehandlungselement kann
ein Substrat aufweisen, weiter ein Katalysatorträgermaterial, das auf dem Substrat
verteilt ist, und eine Menge an Silbersulfat, die in dem Katalysatorträgermaterial
verteilt ist, um einen Katalysator zu bilden.
Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
1 ist
eine diagrammartige Darstellung eines Abgasbehandlungssystems gemäß einem
beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel.
2 ist
eine bildliche Darstellung eines Abgasbehandlungselementes gemäß einem
beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel.
3 ist
eine diagrammartige Querschnittsdarstellung eines Abgasbehandlungselementes
gemäß einem
beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel.
4 ist
eine Kurvendarstellung, die den Prozentsatz der NOx-Umwandlung als eine
Funktion der Temperatur und des Eintrags von Silbermetall für verschiedene
Proben aufzeichnet, die gemäß einem beispielhaften
Sol-Gel-Prozess mit einem einzigen Schritt vorbereitet wurden.
5 ist
eine Kurvendarstellung, die den Prozentsatz der NOx-Umwandlung als eine
Funktion der Temperatur für
verschiedene Proben aufzeichnet, die gemäß beispielhaften offenbarten
Prozessen vorbereitet wurden.
Detaillierte
Beschreibung
1 veranschaulicht
ein beispielhaftes Auslasssystem 10, welches ein Abgasbehandlungselement 11 zur
Behandlung eines Abgasstroms 12 aufweisen kann, der durch
die Abgasleitung 13 übertragen
wird. In einem offenbarten Ausführungsbeispiel
kann der Abgasstrom 12 durch einen mager verbrennenden
Verbrennungsmotor 14 erzeugt werden, der ein Dieselmotor,
ein funkengezündeter
Motor oder irgendeine andere Bauart eines Motors sein kann, die
mit einem Übermaß an Sauerstoff
betrieben werden kann. Weiterhin kann der Motor 14 entweder
in einer stationären
Rolle (beispielsweise Leistungserzeugungseinrichtungen, Generatoren
usw.) oder in einer mobilen Einrichtung arbeiten (beispielsweise
Fahrzeuge, sich bewegende Maschinen usw.). Als ein üblicher
Nachteil von vielen Magerverbrennungsmotoren kann der übermäßige Sauerstoff,
der während
der Verbrennung vorhanden ist, NOx im Abgasstrom ergeben. Das Abgasbehandlungselement 11 kann
in dem System 10 vorgesehen sein, um zumindest einen Teil
des NOx aus dem Abgasstrom 12 in günstigere Verbundstoffe umzuwandeln,
wie beispielsweise Stickstoffgas (N2), Kohlendioxid
und Wasserdampf. Diese Verbundstoffe können dann durch eine Abgasleitung 15 in
die Atmosphäre
ausgestoßen
werden.
2 veranschaulicht
ein Abgasbehandlungselement 11 gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel.
Das Abgasbehandlungselement 11 kann zylindrisch sein, wie
gezeigt, oder kann irgendeine andere geeignete Form haben, und zwar abhängig von
einer speziellen Anwendung. Eine Vielzahl von Kanälen 20 kann
in dem Abgasbehandlungselement 11 geformt werden. Kanäle 20 sind Öffnungen,
die von Wänden
definiert werden, die eine Honeycomb- bzw. Wabenstruktur bilden,
die als Substrat 30 bezeichnet wird (siehe 3).
Der Ausdruck "Honeycomb" bzw. "Wabe", wie er hier verwendet wird,
kann sich auf eine Struktur beziehen, in der Kanäle 20 Querschnitte
haben, die sechseckig, rechteckig, quadratisch oder kreisförmig sein
können,
oder die irgendeine andere geeignete Form haben können. Die
Kanäle 20 können sich über die
gesamte Länge
des Abgasbehandlungselementes 11 erstrecken und gestatten
den Durchlass des Abgasstroms 12 durch das Abgasbehandlungselement 11.
Weiterhin können
Katalysatorkomponenten, die bei der Umwandlung von NOx im Abgasstrom 12 helfen
können, an
den Wänden
der Kanäle 20 abgelagert
sein.
3 bietet
eine diagrammartige Querschnittsansicht des Abgasbehandlungselementes 11,
wenn man entlang einer Längsachse
schaut. Wie gezeigt, weist das Substrat 30 Kanäle 20 auf,
die in einem Wabenmuster angeordnet sind. Das Substrat 30 kann
ein Keramik- oder Metallsubstrat sein und kann Aluminiumoxid und/oder
Cordierit und/oder Titanoxid und/oder FeCr aufweisen. Andere Materialien
können
jedoch auch verwendet werden, um das Substrat 30 zu formen.
Das
Abgasbehandlungselement 11 kann auch einen Katalysator 32 aufweisen,
der auf dem Substrat 30 abgelagert ist. Der Katalysator 32 kann ein
Katalysatorträgermaterial
und einen Metallpromotor (Hilfsstoff) aufweisen, der in dem Katalysatorträgermaterial
verteilt ist. In einem beispielhaften Ausfüh dem Katalysatorträgermaterial
verteilt ist. In einem beispielhaften Ausführungsbeispiel kann das Katalysatorträgermaterial
beispielsweise Aluminiumoxid und/oder Zeolit aufweisen und der Metallpromotor
kann Silber aufweisen.
Ein
Verfahren zur Herstellung des Katalysators 32 kann einen
Sol-Gel-Prozess
mit einem einzigen Schritt aufweisen. Bei dieser Technik kann ein Metall
enthaltendes Material zu einem Zwischenprodukt des Sol-Gel-Prozesses hinzugefügt werden,
so dass das Katalysatorträgermaterial,
das durch den Sol-Gel-Prozess erzeugt wird, schon mit dem Metallpromotor
zugemischt herauskommt. Für
die Zwecke dieser Offenbarung kann sich der "Prozess mit einem einzigen Schritt" auf einen Prozess
beziehen, bei dem ein Metallpromotorprekursor (Vorstoff) oder alternativ
der Metallpromotor zu dem Katalysatorträgermaterial zugegeben wird,
in dem man den Metallpromotorpräcursor
in mindestens einem Schritt zur Herstellung des Katalysatorträgermaterials
zugibt. Ein zweiter Prozess zur Herstellung des Katalysators 32 kann
das selektive Sulfieren von Silberstellen auf einem Katalysatorträgermaterial über eine
Technik mit Tränkimprägnierungstechnik
(Incipient-Wetness-Imprägnierungstechnik)
aufweisen, oder das Aussetzen eines silberdotierten Katalysatorträgermaterials
in einem SO2-Gas.
Der
Sol-Gel-Prozess mit einem Schritt zur Herstellung des Katalysators 32 kann
die Verteilung eines metallbasierten Materials in einem Lösungsmittel
aufweisen, um eine Schlämmung
zu bilden. In einem Ausführungsbeispiel,
das ein Aluminiumoxidkatalysatorträgermaterial aufweist, kann
das metallbasierte Material ein Aluminiumoxid-Alkoxid aufweisen, oder
irgendein anderes Material, das zur Herstellung von Aluminiumoxid
geeignet ist. Die Schlämmung kann
auf einer Temperatur von zwischen ungefähr 115°C und ungefähr 125°C gehalten werden, um zu gestatten,
dass eine Polymerisation der Komponenten der Schlämmung auftritt.
An
einem ausgewählten
Punkt während
des Polymerisationsprozesses (beispielsweise wenn eine erwünschte Menge
des polymerisierten Materials erhalten worden ist), kann der Polymerisationsprozess
abgelöscht
bzw. abge schreckt werden. Beispielsweise kann Wasser oder eine andere
geeignete Substanz zu der Schlämmung
zugegeben werden, um den Polymerisationsprozess zu verlangsamen oder
zu stoppen. Zusammen mit der Zugabe von Wasser kann die Temperatur
der Schlämmung
auf unter ungefähr
95°C reduziert
werden. Beispielsweise kann die Temperatur der Schlämmung reduziert werden
und auf innerhalb eines Bereiches von ungefähr 85°C bis ungefähr 95°C gehalten werden. Die abgekühlte Schlämmung kann
man zu einem Feststoff oder einem feststoffartigen Material aushärten lassen.
In einem Ausführungsbeispiel
kann der Feststoff ein glasartiges Material sein (beispielsweise
irgendein amorphes oder halbamorphes Material) und kann ein Polymer
aufweisen.
Eine
andere Schlämmung
kann durch physisches Aufbrechen des festen Materials gebildet werden
und durch Verteilung des festen Materials in der Abschreck- bzw.
Abkühlungsflüssigkeit
(beispielsweise Wasser). Ein Präcursor
für den
Metallpromotor des Katalysators kann zu dieser Schlämmung zugegeben
werden. Beispielsweise kann der Präcursor ein silberbasiertes
Material aufweisen. In einem Ausführungsbeispiel kann das silberbasierte
Material Silbernitrat aufweisen. Zusätzlich zu dem Metallpromotorpräcursor kann
ein anderes Lösungsmittel,
wie beispielsweise Methanol, Ethanol oder Propanol (beispielsweise
2-Propanol) oder irgendein anderes geeignetes Lösungsmittel, das eine Oberflächenspannung
von weniger als ungefähr
25nm/m bei Raumtemperatur hat, zu der Schlämmung zugegeben werden. Die
Zugabe des Metallpromotorpräcursors
zur Schlämmung
in dieser Stufe anstelle während
des Abschreckungs- bzw. Einweichungsschrittes, kann irgendwelche
unerwünschten
Veränderungen
des pH-Wertes der Zwischenprodukte des Sol-Gel-Prozesses minimieren.
Sobald
der Metallpromotorpräcursor
zu dieser Schlämmung
zugegeben worden ist, kann die Schlämmung für eine vorbestimmte Zeitdauer
und bei einer vorgewählten
Temperatur gealtert werden. In einem Ausführungsbeispiel kann die Schlämmung für eine Periode
von mindestens fünf
Stunden und bei einer Temperatur von mindestens ungefähr 80°C gealtert
werden. Weiterhin kann die Schlämmung über Nacht
bei einer Temperatur von zwischen ungefähr 80°C und ungefähr 95°C gealtert werden. Alternative
Ausführungsbeispiele
werden jedoch in Betracht gezogen, wo der Alterungsschritt verkürzt oder sogar
weggelassen werden kann.
Ein
Pulver kann beispielsweise durch Filterung der Schlämmung gebildet
werden. Als ein Ergebnis des offenbarten Sol-Gel-Prozesses mit einem einzigen
Schritt kann das Pulver den Metallpromotor aufweisen, der unter
den Partikeln verteilt ist, die mit dem Katalysatorträgermaterial
in Beziehung stehen. Somit kann bei einem Ausführungsbeispiel das gefilterte
Pulver ein mit Silber vermischtes Pulver aufweisen.
Um
die Bildung des Katalysatorträgermaterials
zu vollenden (beispielsweise um irgendwelche Zwischenpulverprodukte
in ein Pulver umzuwandeln, welches das erwünschte Katalysatorträgermaterial aufweist)
kann das gefilterte Pulver einem Kalzinierungsprozess unterworfen
werden. Während
des Kalzinierungsprozesses kann das gefilterte Pulver einer Umgebung
ausgesetzt werden, wie beispielsweise Luft, die Stickstoff, Sauerstoff
und Wasserdampf bei einer Temperatur von zwischen ungefähr 600°C und ungefähr 800°C aufweist.
Irgendein geeignetes Wasserdampfniveau kann ausgewählt werden,
jedoch kann in einem Ausführungsbeispiel
die Umgebung ungefähr
6% Wasserdampf aufweisen. Während
des Kalzinierungsprozesses können
irgendwelche Lösungsmittel,
die in dem Filterpulver bleiben, entfernt werden. Weiterhin können organische
Teile, die an dem Pulvermaterial anhaften, ebenfalls gelöst werden
und entfernt werden, um das erwünschte
Katalysatorträgermaterial
mit dem Metallpromotor vermischt übrig zu lassen. In einem beispielhaften
Ausführungsbeispiel
können
organische Molekülketten aus
dem gefilterten Pulver entfernt werden, um ein mit Silber vermischtes
Aluminiumoxidpulver zu ergeben. Dieses mit Silber vermischte Aluminiumoxidpulver
kann den Katalysator 32 bilden.
Die
letztendliche Menge des Metallpromotors, die in dem Katalysatorträgermaterial
eingeschlossen ist, kann durch Auswahl der Menge des Metallpromo torpräcursors
gesteuert werden, die zu der Schlämmung hinzu gegeben wird, wie
zuvor beschrieben. In einem Ausführungsbeispiel
kann eine ausreichende Menge von Metallpromotorpräcursor zu
der Schlämmung
hinzu gegeben werden, so dass das letztendliche Katalysatorpulver
(beispielsweise Aluminiumoxid mit Silbereintrag) zwischen ungefähr 1 Gewichtsprozent
und ungefähr
10 Gewichtsprozent Silber aufweist. In einem weiteren Ausführungsbeispiel
kann das letztendliche Katalysatorpulver zwischen ungefähr 2 Gewichtsprozent
und ungefähr
5 Gewichtsprozent Silber aufweisen. In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel
kann das letztendliche Katalysatorpulver zwischen ungefähr 3 Gewichtsprozent
und ungefähr
4 Gewichtsprozent Silber aufweisen.
Ein
weiterer Prozess zur Herstellung des Katalysators 32 kann
das selektive Sulfieren von Silberstellen auf einem Katalysatorträgermaterial
aufweisen, um einen Katalysator zu bilden. Dieser selektive Sulfierungsschritt
kann unter Verwendung der Tränkimprägnierungstechnik
bzw. Incipient-Wetness-Imprägnierungstechnik
erreicht werden. Bei diesem Prozess kann eine Schlämmung, die
ein Silbersulfatpräcursormaterial
aufweist, in Kontakt mit einem schon existierenden Katalysatorträgermaterial
gebracht werden. Das Katalysatorträgermaterial (beispielsweise
Aluminiumoxidpulver) von diesem Ausführungsbeispiel kann unter Verwendung
von irgendeinem geeigneten Herstellungsprozess hergestellt werden,
wie beispielsweise Sol-Gel-Technik, Incipient-Wetness-Technik und/oder
Ausscheidungstechniken. Um die Schlämmung herzustellen, kann eine
gewisse Menge von Silbersulfat zu einem Lösungsmittel hinzu gegeben werden
und darin verteilt werden, wie beispielsweise in Wasser oder einem anderen
geeigneten Lösungsmittel.
Das
Katalysatorträgermaterial
kann mit der Silbersulfatschlämmung
durch irgendein geeignetes Verfahren in Kontakt gebracht werden.
In einem Ausführungsbeispiel
kann eine Pipette verwendet werden, um die Silbersulfatschlämmung in
das Katalysatorträgermaterial
einzuleiten. In einem anderen Ausführungsbeispiel können das
Katalysatorträgermaterial
und die Silbersulfatschlämmung
zusammen in irgendeinem geeigneten Behälter vermischt werden. Weiterhin
können
irgendwelche geeigneten Mischvorrichtungen ver wendet werden, um
eine homogene Vermischung der Silbersulfatschlämmung und des Katalysatorträgermaterials
zu begünstigen. Die
Menge der Silbersulfatschlämmung,
die in das Katalysatorträgermaterial
eingebracht wird, kann in Beziehung mit dem Porenvolumen des Katalysatorträgermaterials
sein. Beispielsweise kann bei einem Ausführungsbeispiel die Menge der
Silbersulfatschlämmung,
die auf das Katalysatorträgermaterial aufgebracht
wird, gleich einem gesamten Porenvolumen des Katalysatorträgermaterials
sein, oder größer als
dieses. Die offenbarte Incipient-Wetness-Technik bzw. Tränkimprägnierungstechnik
kann es dem Silbersulfat ermöglichen,
mehr von dem Porenraum des Katalysatorträgermaterials oder dem gesamten
Porenraum zu imprägnieren.
Bei
der gegenwärtig
offenbarten Tränkimprägnierungstechnik
kann der Katalysator 32 beispielsweise durch Trocknen und
Kalzinieren des Katalysatorträgermaterials
geformt werden, und zwar imprägniert
mit dem Silbersulfat. Durch Trocknen oder Kalzinieren des Katalysatorträgermaterials
kann die Lösungsmittelkomponente
der Silbersulfatschlämmung
verdampft oder zersetzt werden, um den Katalysator 32 in
Form eines Katalysatorträgermaterials zu
erhalten, das mit einem Silbersulfatmaterial imprägniert ist.
In einem Ausführungsbeispiel
weist der Katalysator 32 Aluminiumpulver auf, welches mit
Silbersulfat imprägniert
oder beladen ist.
Die
offenbarte Tränkimprägnierungstechnik kann
dadurch erreicht werden, dass man einmal das Katalysatorträgermaterial
der Silbersulfatschlämmung
aussetzt. Alternativ kann jedoch die Tränkimprägnierungstechnik mehrere Vorgänge aufweisen, bei
denen man es dem Silbersulfat aussetzt. Beispielsweise kann nach
jedem Zyklus des Aussetzens der Schlämmung und der darauf folgenden
Trocknung das Katalysatorträgermaterial
einer weiteren Silbersulfatschlämmung
erneut ausgesetzt sein und erneut getrocknet werden. Jeder darauf
folgende Vorgang des Aussetzens kann zu einem weiteren Eintrag des
Silbersulfats in das Katalysatorträgermaterial beitragen.
Die
Menge des Silbersulfates, das in der Silbersulfatschlämmung verteilt
ist, kann gemäß einem erwünschten
Silbergehalt für
den Katalysator 32 ausgewählt werden. In einem Ausführungsbeispiel
kann die Menge des Silbersulfates, die in der Schlämmung verteilt
ist, so sein, dass der Katalysator 32 zwischen ungefähr 1 Gewichtsprozent
und ungefähr
10 Gewichtsprozent Silber aufweist. In einem weiteren Ausführungsbeispiel
kann die Menge des Silbersulfates, die in der Schlämmung verteilt
ist, so sein, dass der Katalysator 32 zwischen ungefähr 2 Gewichtsprozent
und ungefähr
5 Gewichtsprozent Silber aufweist.
Zusätzlich können Silberstellen
auf dem Katalysatorträgermaterial
selektiv sulfiert werden, und zwar durch Ablagerung von zumindest
einem Teil des Silbers an Silberstellen des Katalysatorträgermaterials.
Dieses Silber kann an den Silberstellen unter Verwendung eines Silberpräcursormaterials
und einer Tränkimprägnierungstechnik
abgelagert werden, ähnlich
der oben beschriebenen Technik. Sobald das Silber auf dem Katalysatorträgermaterial
angeordnet ist, kann zumindest ein Teil des Silbers in Silbersulfat umgewandelt
werden, und zwar durch Aussetzen des Silber enthaltenden Katalysatorträgermaterials zu
einem Schwefel enthaltenden Gas (beispielsweise SO2).
Schließlich dienen
sowohl der offenbarte Sol-Gel-Prozess mit einem einzigen Schritt
als auch die offenbarten Tränkimprägnierungstechniken
als geeignete Verfahren zur Herstellung des Katalysators 32.
Als eine Folge von jedem dieser Prozesse kann der Katalysator 32 in
Form eines Pulvers sein, das auf ein Substrat aufgebracht wird,
um beispielsweise ein Abgasbehandlungselement 11 zu bilden.
Die
Vorbereitung des Abgasbehandlungselementes 11 kann auf
einer Vielzahl von Wegen erreicht werden. Ein Aluminiumoxid-Wabensubstrat oder
Cordierit-Substrat 30 kann
geliefert werden, und der Katalysator 32 kann auf dem Substrat 30 unter Verwendung
einer Waschbeschichtungstechnik ausgeformt werden. Andere geeignete
Techniken können
jedoch auch verwendet werden.
Bei
einem Ausführungsbeispiel
kann der Waschbeschichtungsprozess die Verteilung des Katalysators 32 (der
das Aluminiumoxidkatalysatorträgermaterial
aufweist, das mit dem Silberpromotor beladen bzw. vermischt ist)
in einem Lösungsmittel
aufweisen, wie beispielsweise in Wasser, um eine Schlämmung zu
bilden. Andere Lösungsmittel
können
abhängig
von den Anforderungen einer speziellen Anwendung verwendet werden.
Diese Schlämmung
kann auf dem Substrat 30 waschbeschichtet werden. Insbesondere
kann die Schlämmung
auf das Substrat derart aufgebracht werden, dass zumindest ein Teil
des Katalysator 32 in der Schlämmung auf das Substrat übertragen
werden kann. Beispielsweise kann das Substrat 30 vollständig oder
teilweise in der Schlämmung
untergetaucht sein. Alternativ kann die Schlämmung auf das Substrat 30 durch
Bürsten, Sprühen, Wischen
oder durch irgendein anderes geeignetes Verfahren aufgebracht werden.
Nach dem Aufbringen der Schlämmung,
die den Katalysator 32 enthält, auf das Substrat 30,
kann man die Schlämmung
trocknen lassen, was den Katalysator 32 auf dem Substrat 30 abgelagert übrig lässt.
Das
Abgasbehandlungselement 11 kann zusätzlichen Verarbeitungsschritten
unterworfen sein, einschließlich
beispielsweise des Trocknens und/oder des Kalzinierens, um flüchtige Komponenten
vom Substrat 30 und dem Katalysator 32 zu entfernen.
Das Trocknen kann das Anordnen des Abgasbehandlungselementes 11 in
einem Ofen bei einer speziellen Temperatur und für eine spezielle Zeitdauer
aufweisen. Beispielsweise kann das Abgasbehandlungselement 11 bei
einer Temperatur von ungefähr
100°C bis
ungefähr
200°C für mehrere
Stunden getrocknet werden. Das Kalzinieren kann für mehrere
Stunden bei Temperaturen von mehr als ungefähr 500°C andauern. Es sei bemerkt,
dass irgendein spezielles Zeit-Temperatur-Profil für die Schritte
des Trocknens und Kalzinierens ausgewählt werden kann. Das Abgasbehandlungselement 11 kann
bei der Reduktion von NOx aus dem Abgasstrom 12 helfen
(1). Die Mager-NOx-Katalysatorreaktion ist ein
komplexer Prozess, der viele Schritte aufweist. Einer der Reaktionsmechanismen jedoch,
der in Anwesenheit des Abgasbehandlungselementes 11 ausgeführt werden
kann, kann durch die folgenden Reaktionsgleichungen zusammengefasst
werden: NO + O2 → NOx (1) HC + O2 → oxigenierter
Kohlenwasserstoff (HC) (2) NOx + oxigenierter HC + O2 → N2 + CO2 + H2O (3)
Der
Katalysator 32, der Silber verteilt in einem Katalysatorträgermaterial
aufweisen kann, kann die Reduktion von NOx zu N2-Gas
katalysieren, wie in Gleichung (2) gezeigt. Wie in der Gleichung
(2) gezeigt, kann weiterhin ein Kohlenwasserstoffreduktionsmittel
in einen aktivierten oxigenierten Kohlenwasserstoff umgewandelt
werden, der mit den NOx-Verbundstoffen zusammenwirken kann, um Organo-Stickstoff
(organischen Stickstoff) enthaltende Komponenten zu bilden. Diese
Materialien können sich
möglicherweise
zu Isocyanat- (NCO-) oder Cyanit-Gruppen zersetzten und schließlich Stickstoffgas (N2) durch eine Serie von Reaktionen ergeben,
die oben zusammengefasst sind.
Industrielle
Anwendbarkeit
Die
gegenwärtig
offenbarten Katalysatoren und Verfahren zur Herstellung der Katalysatoren
können
bei irgendeinem Abgasbehandlungselement oder Abgasbehandlungssystem
verwendet werden, welches von dem verbesserten NOx-Umwandlungswirkungsgrad
Vorteile haben kann. Die hohen Niveaus des Umwandlungswirkungsgrades
der offenbarten Katalysatoren können
beispielsweise der Anwendung des offenbarten Sol-Gel-Katalysatorbildungsverfahrens
mit einem einzigen Schritt zugeordnet werden. Der offenbarte Sol-Gel-Prozess
mit einem einzigen Schritt kann eine präzise Steuerung der Porengröße, des
Porenvolumens und der Oberfläche
des Katalysatorträgermaterials
(beispielsweise Aluminiumoxid) gestatten. Dieser Prozess kann auch
zu einer im Wesentlichen gleichförmigen
Verteilung des Silbers innerhalb des Katalysatorträgermaterials
beitragen. Eine gleichförmige
Verteilung des Silbers kann die Menge des Silbers minimieren, die Silbermetall
im Katalysator bildet, und kann die Menge des Silbers maximieren,
die in aktiven NOx-reduzierenden Stoffen eingeschlossen ist (beispielsweise Silberoxid),
die in dem Katalysator vorhanden sind.
In
anderen Ausführungsbeispielen
können die
hohen Niveaus des NOx-Umwandlungswirkungsgrades
der Anwendung von Silbersulfat zugeordnet werden, um aktive NOx-Umwandlungsstellen
im Katalysator vorzusehen. Beispielsweise kann in mindestens einigen
Anwendungen Silbersulfat eine noch höhere NOx-Umwandlungsaktivität im Vergleich
zum Silberoxid bieten. Weil weiterhin Silbersulfat sich nur über ungefähr 900°C zersetzt,
bleibt das Silbersulfat, das in den offenbarten Katalysatoren eingeschlossen ist,
während
der Verarbeitung der Katalysatoren intakt, was beispielsweise das
Kalzinieren des Katalysators 32 bei einer Temperatur von
zwischen ungefähr
600°C und
800°C aufweisen
kann. Silbernitrat jedoch, welches in dem offenbarten Sol-Gel-Prozess mit einem
einzigen Schritt verwendet werden kann, hat eine Zersetzungstemperatur
von ungefähr 250°C. Daher
kann sich während
der Verarbeitung des Katalysators 32 Silbernitrat in Silberoxid
umwandeln.
4 ist
eine Kurvendarstellung, die den Prozentsatz der NOx-Umwandlung als
eine Funktion der Temperatur und des Silbermetalleintrags für verschiedene
Proben abbildet, die gemäß dem offenbarten
Sol-Gel-Katalysatorbildungsprozess
mit einem einzigen Schritt vorbereitet sind. Insbesondere stellt die
Kurve 40 den NOx-Umwandlungswirkungsgrad eines Katalysators
dar, der mit ungefähr
1 Gewichtsprozent Silber beladen bzw. vermischt ist. Die Kurve 42 stellt
den NOx-Umwandlungswirkungsgrad eines Katalysators dar, der mit
ungefähr
2 Gewichtsprozent Silber versetzt ist. Die Kurve 44 stellt
den NOx-Umwandlungswirkungsgrad eines Katalysators dar, der mit
ungefähr
4 Gewichtsprozent Silber versetzt ist, und die Kurve 46 stellt
den NOx-Umwandlungswirkungsgrad eines Katalysators dar, der mit
ungefähr
8 Gewichtsprozent Silber versetzt ist. Für jede der Proben wies der
Abgasstrom, der über
jede der Proben geflossen ist, 0,1% NOx, 9% O2 und
7% H2O bei einer Raumgeschwindigkeit bzw.
Flussgeschwindigkeit von 30 000 h–1 auf.
Der Abgasstrom wies auch ein Kohlenwasserstoffreduktionsmittel in
Form von 0,1% Propen auf.
Wie
in 4 gezeigt, zeigte die Probe mit 1% Silber, die
durch die Kurve 40 dargestellt wird, den NOx-Umwandlungswirkungsgrad
mit der größten Spitze.
Im Gegensatz dazu zeigte die Probe mit 8% Silber, die von der Kurve 46 dargestellt
wird, den niedrigsten NOx-Umwandlungswirkungsgrad. Immer noch war
der Umwandlungswirkungsgrad der Probe mit 8% nahezu 50%, was beträchtlich
höher ist
als bei vielen herkömmlichen
Katalysatorsystemen. Die Proben mit 2% Silber und mit 4% Silber
(d.h. die Kurven 42 bzw. 44) zeigten die beste
Gesamtleistung. Diese zwei Proben zeigten beide relativ hohe NOx-Umwandlungswirkungsgradwerte
(beispielsweise über
ungefähr
60%) und zeigten auch breite effektive Temperaturbereiche. Beispielsweise
hielten beide Proben einen NOx-Umwandlungswirkungsgrad von mehr
als 50% über
einen breiten Temperaturbereich mit einer Zentrierung ungefähr um die
relativ niedrige Temperatur von 500°C. Der offenbarte Sol-Gel-Prozess
mit einem einzigen Schritt kann einen Katalysator zur Folge haben,
der eine hohe NOx-Reduktionsleistung über einen
großen
Bereich von Metalleintragswerten zeigt.
5 ist
eine Kurvendarstellung, die den Prozentsatz der NOx-Umwandlung als
eine Funktion der Temperatur für
verschiedene Proben aufzeichnet, die ähnliche Silbermengen enthalten,
die jedoch gemäß unterschiedlichen
offenbarten Prozessen vorbereitet sind. Jede Probe hat ungefähr 2 Gewichtsprozent
Silber aufgewiesen. Die erste Probe, die durch die Kurve 50 dargestellt
wird, wurde durch Beladung bzw. Eintrag eines Silbersulfates in
das Katalysatorträgermaterial
unter Verwendung einer Tränkimprägnierungstechnik
vorbereitet. Die zweite Probe, die durch die Kurve 52 dargestellt
wird, wurde unter Verwendung des offenbarten Sol-Gel-Prozesses mit einem
einzigen Schritt unter Verwendung von Silbernitrat vorbereitet.
Die zweite Probe wies jedoch Silberoxid anstelle von Silbersulfat
als aktives Material auf. Die dritte Probe, die von der Kurve 54 dargestellt wird,
wurde unter Verwendung einer Tränkimprägnierungstechnik
unter Verwendung von Silbernitrat vorbereitet. Der Abgasstrom, der über jeden
der Katalysatoren geleitet wurde, wies 0,1% NO, 9% O2 und
7% H2O bei einer Raumgeschwindigkeit bzw.
Flussgeschwindigkeit von 30 000 h–1 auf.
Der Abgasstrom wies auch ein Kohlenwasserstoffreduktionsmittel in Form
von 0,1% Propen auf.
Wie
in 5 veranschaulicht, hatte die erste Probe (Kurve 50)
den NOx-Umwandlungswirkungsgrad
mit der höchsten
Spitze (ungefähr
65%) und den breitesten effektiven Temperaturbereich. Die zweite Probe
(Kurve 52) zeigte den nächst
höchsten NOx-Umwandlungswirkungsgrad
und einen effektiven Temperaturbereich, und die dritte Probe (Kurve 54)
lag sowohl bezüglich
des NOx-Umwandlungswirkungsgrades als auch bezüglich des effektiven Temperaturbereiches
niedriger im Vergleich zu den ersten und zweiten Proben. Die Kurvendarstellung
der 5 veranschaulicht die Leistungsvorteile, die unter
Verwendung von Katalysatoren erhalten werden können, die gemäß der offenbarten
Sol-Gel-Verfahren mit einem einzigen Schritt vorbereitet werden, oder
die unter Verwendung von Silbersulfat-Präcursormaterialien vorbereitet
werden.
Es
wird dem Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen
und Variationen an den beschriebenen Katalysatorsystemen vorgenommen
werden können,
ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Andere Ausführungsbeispiele der
Erfindung werden dem Fachmann aus einer Betrachtung der Beschreibung
und aus der praktischen Ausführung
der hier offenbarten Erfindung offensichtlich. Es ist beabsichtigt,
dass die Beschreibung und die Beispiele nur als beispielhaft angesehen
werden, wobei ein wahrer Umfang der Erfindung durch die folgenden
Ansprüche
und ihre äquivalenten
Ausführungen
gezeigt wird.