DE102006031724B3

DE102006031724B3 - Strukturierter SCR-Katalysator zur Reduktion von Stickoxiden im Abgas von Magermotoren unter Verwendung von Ammoniak als Reduktionsmittel

Info

Publication number: DE102006031724B3
Application number: DE102006031724A
Authority: DE
Inventors: Nicola SÖGER; Lothar Mussmann; Ralf Sesselmann; Katja Burgemeister; Wolfgang Schneider
Original assignee: Umicore AG and Co KG
Current assignee: Umicore AG and Co KG
Priority date: 2006-07-08
Filing date: 2006-07-08
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2026-07-09

Abstract

Die reduktive Entfernung von Stickoxiden aus dem Abgas überwiegend mager betriebener Verbrennungsmotoren gestaltet sich aufgrund des hohen Sauerstoffgehaltes schwierig. Ein bekanntes Verfahren dazu ist die selektive katalytische Reduktion (Selective Catalytic Reduction SCR) der Stickoxide mit Ammoniak oder einer zu Ammoniak zersetzlichen Verbindung als Reduktionsmittel an dafür geeigneten Katalysatoren (SCR-Katalysatoren). Typisch für herkömmliche SCR-Katalysatoren ist ein relativ schmales Arbeitstemperaturfenster, in dem gute Stickoxid-Umsätze bei hinreichender Selektivität erzielt werden können. Dieses Arbeitsfenster liegt meist im Temperaturbereich zwischen 350°C und 500°C. Weiterhin gibt es SCR-Katalysatorformulierungen, deren Arbeitsfenster im Temperaturbereich 150°C bis 350°C liegt. Diese sind bei höheren Temperaturen in der Regel nicht einsetzbar, da sie oberhalb von 350°C den als Reduktionsmittel benötigten Ammoniak zu Stickoxiden oxidieren. Zur Abdeckung des gesamten Abgastemperaturbereichs, der für Fahrzeuge mit überwiegend mager betriebenen Verbrennungsmotoren typisch ist und sich über den Bereich von 200°C bis 600°C erstreckt, sind deshalb bislang meist aufwendige Abgasanlagensysteme nötig, die mehrere Katalysatoren mit verschiedenen Arbeitstemperaturbereichen enthalten. Die vorliegende Erfindung stellt einen strukturierten SCR-Katalysator zur Verfügung, dessen Arbeitsbereich sich über ein deutlich breiteres Temperaturfenster erstreckt und mit dessen Hilfe ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen strukturierten Katalysator zur Entfernung von Stickoxiden aus Abgasen von überwiegend mit magerem Luft/Kraftstoffverhältnis betriebenen Verbrennungsmotoren durch selektive katalytische Reduktion unter Verwendung von Ammoniak oder einer zu Ammoniak zersetzlichen Verbindung als Reduktionsmittel. Bei solchen Verbrennungsmotoren handelt es sich um Dieselmotoren und direkteinspritzende Benzinmotoren. Sie werden zusammenfassend als Magermotoren bezeichnet.
Das Abgas von Magermotoren enthält neben den üblichen Schadgasen Kohlenmonoxid CO, Kohlenwasserstoffe HC und Stickoxide NO_x einen relativ hohen Sauerstoffgehalt von bis zu 15 Vol.-%. Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe können durch Oxidation leicht unschädlich gemacht werden. Die Reduktion der Stickoxide zu Stickstoff ist wegen des hohen Sauerstoffgehaltes wesentlich schwieriger.
Ein bekanntes Verfahren zur Entfernung von Stickoxiden aus Abgasen in Gegenwart von Sauerstoff ist das Verfahren der selektiven katalytischen Reduktion (SCR-Verfahren; Selective Catalytic Reduktion) mittels Ammoniak, das auch aus einer Vorläuferverbindung wie zum Beispiel Harnstoff in situ erzeugt werden kann. In diesem Verfahren erfolgt die Komproportionierung der Stickoxide mit Ammoniak unter Bildung von Stickstoff an einem geeigneten Katalysator, kurz als SCR-Katalysator bezeichnet.
Da Verbrennungsmotoren im Kraftfahrzeug in transienten Fahrzyklen betrieben werden, muß der SCR-Katalysator auch bei stark schwankenden Betriebsbedingungen möglichst hohe Stickoxidumsätze bei guter Selektivität gewährleisten. Dabei muß eine vollständige und selektive Stickoxid-Konvertierung bei niedrigen Temperaturen ebenso sichergestellt sein, wie der selektive und vollständige Umsatz hoher Stickoxidmengen, die beispielsweise bei Vollastfahrten auftreten, in sehr heißem Abgas. Zudem bereiten die stark schwankenden Betriebsbedingungen Schwierigkeiten bei der exakten Dosierung des Ammoniaks, die idealerweise in stöchiometrischem Verhältnis zu den zu reduzierenden Stickoxiden erfolgen sollte. Daraus ergeben sich hohe Anforderungen an die Robustheit des SCR-Katalysators, also an dessen Fähigkeit, Stickoxide in einem breiten Temperaturfenster bei hochvariablen Katalysatorbelastungen und schwankendem Reduktionsmittelangebot mit hohen Umsatz- und Selektivitätsraten zu Stickstoff reduzieren zu können.
EP 0 385 164 B1 beschreibt sogenannte Vollkatalysatoren zur selektiven Reduktion von Stickoxiden mit Ammoniak, die neben Titanoxid und mindestens einem Oxid von Wolfram, Silicium, Bor, Aluminium, Phosphor, Zirkonium, Barium, Yttrium, Lanthan und Cer eine zusätzliche Komponente enthalten, ausgewählt aus der Gruppe der Oxide von Vanadium, Niob, Molybdän, Eisen und Kupfer.
US 4 961 917 A beansprucht Katalysatorformulierungen zur Reduktion von Stickoxiden mit Ammoniak, die neben Zeolithen mit einem Silica:Alumina-Verhältnis von mindestens 10 und einer Porenstruktur, die in allen Raumrichtungen durch Poren mit einem durchschnittlichen kinetischen Porendurchmesser von mindestens 7 Ångström verknüpft ist, Eisen und/oder Kupfer als Promotoren enthalten. EP 1 495 804 A1 und US 6 914 026 B2 zeigen Methoden zur Verbesserung der Stabilität solcher Zeolith-basierter Systeme unter hydrothermalen Alterungsbedingungen auf.
Die in den genannten Schriften beschriebenen SCR-Katalysatorformulierungen, die den gegenwärtigen Stand der Technik repräsentieren, haben gemeinsam, daß sie erst oberhalb von 350°C gute Stickoxid-Konversionsraten aufweisen. Die Umsetzung läuft in der Regel nur in einem relativ schmalen Temperaturbereich optimal ab. Dieses Umsatzoptimum ist für SCR Katalysatoren typisch und liegt in der Arbeitsweise der Katalysatoren begründet.
Infolge der optimalen Stöchiometrie der Reaktion verläuft die Reduktion einer 1:1-molaren Mischung von Stickstoffmonoxid NO und Stickstoffdioxid NO₂ mit Ammoniak NH₃ um ein Vielfaches schneller als die Reduktion von reinem Stickstoffmonoxid NO. Da die im Abgas von Magermotoren enthaltenen Stickoxide NO_x überwiegend NO und nur geringe Anteile NO₂ enthalten, die Oxidation von NO zu NO₂ bei Temperaturen unterhalb von 300°C jedoch durch einen Oxidationskatalysator kinetisch enthemmt werden muß, ist es für einen SCR-Katalysator, wenn er im Tieftemperaturbereich signifikante Umsätze zeigen soll, erforderlich, daß er über eine gewisse Oxidationskraft verfügt. Andererseits führt eine zu hohe Oxidationskraft bei Temperaturen oberhalb von 350°C dazu, daß Ammoniak durch den hohen Sauerstoffgehalt im Abgas von Magermotoren unter Bildung niedervalenter Stickoxide, wie beispielsweise Lachgas N₂O, oxidiert wird.
Dieser Zielkonflikt ist Ursache dafür, daß zur Entfernung von Stickoxiden aus dem Abgas von Magermotoren typischerweise SCR-Katalysatoren wie die in der EP 0 385 164 B1 oder der US 4 961 917 A genannten Formulierungen entweder in Kombination mit einem vorgeschalteten Oxidationskatalysator, oder in Kombination mit einem weiteren Stickoxid-Reduktionskatalysator mit einem anderen Arbeitsbereich eingesetzt werden müssen, um die Entfernung der Stickoxide bei allen im Fahrbetrieb auftretenden Arbeitstemperaturen, die zwischen 200°C und 600°C liegen, sicherstellen zu können.
Beispielsweise offenbart die US 2006 0 039 843 A1 eine entsprechende Systemlösung. In Absatz [0062] wird als vorteilhafte Ausführungsform ein System zur Abgasreinigung beschrieben, in dem ein mit einem SCR-Katalysator beschichtetes Substrat zwischen dem Reduktionsmittelinjektor und einem Katalysatorträger, der mit einem SCR-Katalysator und einem Ammoniak-Vernichtungskatalysator beschichtet ist, angeordnet wird. Die SCR-Katalysatorformulierungen werden den Angaben in dieser Schrift zufolge in einer bevorzugten Ausführungsform so gewählt, daß der erste Katalysator bei höheren Betriebstemperaturen optimal arbeitet, während sich der zweite Katalysator eher für den Einsatz in kühleren Segmenten des Abgassystems eignet.
DE 103 60 955 A1 beschreibt eine Abgasreinigungsanlage für einen Verbrennungsmotor, in der das in der SCR-Reaktion als Reduktionsmittel genutzte Ammoniak an einem in Strömungsrichtung ersten Katalysator aus entsprechenden Abgasbestandteilen erzeugt wird, wenn eine fette Abgaszusammensetzung vorliegt. An einem in Strömungsrichtung zweiten Katalysator wird das vom ersten Katalysator erzeugte Ammoniak bei fetter Abgaszusammensetzung zwischengespeichert. Bei magerer Abgaszusammensetzung werden die im Abgas enthaltenen Stickoxide unter Verwendung des zwischengespeicherten Ammoniaks reduziert. Hinter dem zweiten Katalysator ist ein dritter, Edelmetall-haltiger Katalysator angeordnet, der wenigstens eines der Platingruppenmetalle Pt, Pd oder Rh auf Trägermaterialien enthält, wobei die Trägermaterialien in der Lage sind, bei fetter Abgaszusammensetzung Ammoniak zu speichern und bei magerer Abgaszusammensetzung Ammoniak freizusetzen. Den Angaben dieser Schrift zufolge, ergänzen sich die Temperatur-Aktivitätsbereiche des in zweiter Position verwendeten Standard-SCR-Katalysators und des edelmetallhaltigen Katalysators, so daß es mit der vorgeschlagenen Abgasreinigungsanlage gelingt, den Stickoxid-Umsatz besonders bei tiefen Temperaturen erheblich zu steigern.
Solche Systemlösungen stellen zwar sicher, daß die im Abgas des Magermotors enthaltenen Stickoxide im transienten Betrieb des Motors möglichst vollständig entfernt werden, weisen jedoch erhebliche Nachteile auf. So muß zunächst der Bauraum im Fahrzeug für alle geforderten Katalysatoren zur Verfügung gestellt werden. Weiterhin erzeugt jeder Katalysator einen meßbaren Abgasgegendruck, der zu Verlusten der zum Betrieb des Fahrzeugs verfügbaren Motorleistung und somit in letzter Konsequenz zu erhöhten Kraftstoffverbräuchen führt. Außerdem erfordern solche Systemlösungen während der Entwicklungsphase eines Fahrzeugs aufwendige Untersuchungen zur Fahrzeugapplikation, mit denen sichergestellt werden muß, daß alle Katalysatoren in hinsichtlich Umsatz- und Selektivitätsverhalten optimaler Position angeordnet sind. Dabei wird die optimale Position der Katalysatoren maßgeblich durch die erreichbaren Betriebstemperaturen und somit zum einen durch die Entfernung zum Motor und zum anderen durch die Wärmeverluste in der Abgasanlage bestimmt. Selbstverständlich bedeutet jedes weitere Bauteil höhere Kosten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, einen Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden mit Ammoniak oder einer zu Ammoniak zersetzlichen Verbindung zur Verfügung zu stellen, der bei Erhalt der gewohnten SCR-Aktivität und Selektivität im Temperaturbereich oberhalb von 350°C zusätzlich eine gute SCR-Aktivität im Temperaturbereich unterhalb von 350°C aufweist. Mit Hilfe eines solchen Bauteils können aufwendige Systemlösungen vermieden bzw. entsprechende Abgasanlagen deutlich vereinfacht werden.
Diese Aufgabe wird durch einen strukturierten SCR-Katalysator gelöst, der sich aus mehreren katalytisch aktiven Materialzonen zusammensetzt, die vom Abgas zeitlich nacheinander kontaktiert werden. Diese Materialzonen können auf einem katalytisch inerten Tragkörper angeordnet sein. Sie zeichnen sich durch unterschiedliche Umsatzprofile in der SCR-Reaktion aus: Das Umsatzprofil der vom zu reinigenden Abgas zuerst kontaktierten Materialzone liegt bei höheren Temperaturen als das Umsatzprofil einer vom zu reinigenden Abgas nachgeordnet kontaktierten Materialzone. Der Katalysator ist dadurch gekennzeichnet, daß die vom Abgas zuerst kontaktierte Zone einen Eisen-ausgetauschten Zeolithen enthält und die vom zu reinigenden Abgas nachgeordnet kontaktierte Materialzone einen Übergangsmetall-ausgetauschten Zeolithen oder ein Übergangsmetalloxid ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Vanadiumpentoxid, Wolframtrioxid und Titandioxid oder Kombinationen davon oder einen Übergangsmetall-ausgetauschten Zeolithen und ein Übergangsmetalloxid ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Vanadiumpentoxid, Wolframtrioxid und Titandioxid oder Kombinationen davon enthält.
Vor einer eingehenden Erläuterung der Erfindung werden im folgenden einige Begriffe definiert, die für die Erfindung von Bedeutung sind.
Unter Umsatzprofil eines Katalysators im Sinne dieser Patentschrift wird das optimale Arbeitstemperaturfenster eines SCR-Katalysators im frisch hergestellten Zustand verstanden, also der Temperaturbereich, in dem maximale Stickoxidkonvertierungen bei einer Mindestanforderung an die Selektivität des Katalysators erreicht werden. Die Festlegung der Begrenzungen dieses Temperaturbereiches erfolgt mit Hilfe zweier temperaturabhängiger Umsatzwerte, die sich an der unter den gewählten Betriebsbedingungen gemessenen Maximalkonvertierung des frisch hergestellten Katalysators bemessen. Im unteren Temperaturbereich ist das Anspringverhalten des Katalysators und damit dessen Oxidationskraft für dessen Leistung entscheidend. In Analogie zu der zur Charakterisierung von Oxidationskatalysatoren üblichen und dem Fachmann gut bekannten Terminologie des „Light-Off-Verhaltens" wird als untere Grenze des Umsatzprofils ein T₅₀-Wert festgelegt. Dies ist die Temperatur, bei der unter den gewählten Betriebsbedingungen 50 % der für den Katalysator charakteristischen Maximalkonvertierung erreicht werden. Im oberen Temperaturbereich wird der Umsatz durch die aus der Überoxidation von Ammoniak resultierende Bildung von Stickoxiden limitiert. Als obere Grenze des Umsatzprofils wird die Temperatur gewählt, bei der 90 % der für den Katalysator unter den gewählten Betriebsbedingungen charakteristischen Maximalkonvertierung unterschritten werden. Im Hinblick auf die hohen Selektivitätsanforderungen und unter Berücksichtigung der Tatsache, daß das aus der Überoxidation von Ammoniak entstehende Lachgas N₂O eine unerwünschte Sekundäremission darstellt, wird der als Umsatzprofil definierte Temperaturbereich weiter eingeschränkt, wenn der nach Katalysator gemessene N₂O-Gehalt eine kritische Grenze überschreitet. Bei den von der Anmelderin durchgeführten Untersuchungen gilt ein maximaler Wert von 25 ppm als akzeptabel.
Zur Veranschaulichung sind in 1 die Umsatzprofile zweier konventioneller SCR-Katalysatoren dargestellt, die in den beiden Vergleichsbeispielen beschrieben werden. Das Umsatzprofil von VK1 ist durch die mit (|||) gekennzeichnete Fläche gekennzeichnet und umfaßt den Temperaturbereich 225°C bis > 500°C. Das Umsatzprofil von VK2, dargestellt durch die mit (≡) gekennzeichnete Fläche wird an der oberen Grenze durch einen auf über 25 ppm ansteigenden N₂O-Gehalt nach Katalysator begrenzt und umfaßt den Temperaturbereich 175°C bis 310°C
Unter katalytisch aktiver Materialzone im Sinne dieser Patentschrift wird ein im Katalysator enthaltener und im Rasterelektronenmikroskop als geschlossene Zone sichtbarer Materialbereich verstanden. Dabei kann es sich um die katalytisch aktive Beschichtung eines inerten Tragkörpers handeln. Diese Beschichtung kann ihrerseits aus mehreren katalytisch aktiven Materialzonen aufgebaut sein, wenn sie beispielsweise aus mehreren Schichten unterschiedlichen Materials besteht. Zum besseren Verständnis des Begriffes der Materialzone zeigt 2 den Ausschnitt aus einer Rasterelektronenmikroskopaufnahme der angeströmten Querschnittsfläche eines Katalysators, der aus einem inerten Wabenkörper mit katalytisch aktiver Beschichtung besteht. Die Bezugsziffer (3) bezeichnet den als inerten Tragkörper verwendeten Wabenkörper. Die Bezugsziffern (1) und (2) zeigen die verschiedenen katalytisch aktiven Materialzonen, aus denen die Beschichtung zusammengesetzt ist. Die eingezeichneten gestrichelten Hilfslinien verdeutlichen die Abgrenzungen der Materialzonen zueinander.
Weiterhin wird unter einer Materialzone ein Tragkörper verstanden, auf dem eine Beschichtung bestehend aus einer oder gegebenenfalls mehreren Materialzonen aufgebracht sein kann, vorausgesetzt, daß der Träger selbst katalytische Aktivität in der SCR-Reaktion zeigt.
Der erfindungsgemäße strukturierte SCR-Katalysator setzt sich aus mehreren katalytisch aktiven Materialzonen zusammen, wobei das Umsatzprofil der zuerst vom zu reinigenden Abgas kontaktierten Materialzone bei höheren Temperaturen liegt als das Umsatzprofil der vom zu reinigenden Abgas nachgeordnet kontaktierten Materialzone.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung liegt das Umsatzprofil der zuerst vom Abgas kontaktierten Materialzone zwischen 350°C und 500°C. Ein solches Umsatzprofil ist vor allem für SCR-Katalysatoren auf der Basis Eisen-ausgetauschter Zeolithe typisch. Das Umsatzprofil der vom Abgas nachgeordnet kontaktierten Materialzone liegt bervorzugt im Temperaturbereich zwischen 100°C und 400°C, besonders bevorzugt im Temperaturbereich zwischen 200°C und 350°C. Diese Materialzonen enthalten Übergangsmetall-ausgetauschte Zeolithe und/oder Übergangsmetalloxide ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Vanadiumpentoxid, Wolframtrioxid und Titandioxid. Dabei wird als im Zeolithen enthaltenes Übergangsmetall bevorzugt eines aus der Gruppe Kupfer, Mangan, Cobalt, Nickel, Silber und Gold oder Kombinationen davon verwendet. Ganz besonders bevorzugt ist Kupfer.
Eine solche Anordnung der durch ihr Umsatzprofil gekennzeichneten Materialzonen gewährleistet einen deutlichen Anstieg des Stickoxid-Umsatzes im Temperaturbereich unterhalb von 350°C, ohne daß es im Temperaturbereich oberhalb von 350°C zu nennenswerten Störungen der Selektivität durch eine Überoxidation von Ammoniak zu niedervalenten Stickoxiden kommt. Infolgedessen kann das für den SCR-Katalysator typische Umsatzprofil additiv um einen signifikanten Temperaturbereich unterhalb von 350°C verbreitert werden.
Die additive Verbreiterung des Umsatzprofils des erfindungsgemäßen Katalysators resultiert vermutlich daher, daß je nach Betriebstemperatur des Katalysators jeweils eine der Materialzonen nicht signifikant zum Stickoxid-Umsatz beiträgt, gleichzeitig aber auch nicht Selektivitäts-zerstörend wirkt, sondern sich quasi inert verhält. So ist bei Temperaturen unterhalb von 300°C die vom Abgas zuerst kontaktierte Materialzone noch nicht ausreichend aktiv, weder bezüglich der Umsetzung von Stickoxiden, noch bezüglich der Überoxidation von Ammoniak. Die im Abgas enthaltenen Stickoxide treffen zusammen mit dem Reduktionsmittel Ammoniak nahezu unverändert auf die nachgeordnet kontaktierte Materialzone, die in diesem Temperaturbereich ihr Umsatzprofil hat. Dort werden die Stickoxide unter Bildung von Stickstoff reduziert und desorbiert. Bei Temperaturen ab 300°C weist die vom Abgas zuerst kontaktierte Materialzone bereits nennenswerte katalytische Aktivität auf. Der Anteil der in der nachgeordneten Materialzone ankommenden Stickoxide und des Ammoniaks wird deutlich geringer. Ab 350°C werden die im Abgas enthaltenen Stickoxide praktisch vollständig in der ersten Materialzone umgesetzt. Demzufolge enthält das die nachgeordnete Materialzone kontaktierende Abgas neben Stickstoff nur noch sehr geringe Mengen Ammoniak. Diese werden mit dem im mageren Abgas enthaltenen Sauerstoff nun zu Stickstoff und Wasser oxidiert. Infolge der geringen Konzentrationen des Ammoniaks bleibt dabei der Anteil der durch die Oxidationskraft der nachgeordneten Materialzone gebildeten Stickoxid-Moleküle unerheblich.
Die umgekehrte Anordnung der Materialzonen, in der das zu reinigende Abgas zuerst die Materialzone mit Umsatzprofil bei tieferen Temperaturen kontaktiert, ist nicht zielführend. Eine solche Anordnung zeigt gute Stickoxid-Umsätze bei hohen Selektivitäten, wenn sie bei Temperaturen bis maximal 350°C betrieben wird. Bei höheren Betriebstemperaturen sinkt der Stickoxid-Umsatz der dann vom Abgas zuerst kontaktierten Zone bei gleichzeitig zunehmender Überoxidation von Ammoniak, die zu höheren Stickoxidkonzentrationen im auf die zweite Materialzone treffenden Abgas führt. Damit wird die Katalysatorbelastung der zweiten Materialzone bedingt durch die höheren Stickoxidkonzentrationen bei zugleich verringerten Reduktionsmittelkonzentrationen höher. Die erzielbaren Umsatzraten nehmen im Vergleich zur umgekehrten Anordnung deutlich ab.
Die Materialzonen können sowohl horizontal als auch vertikal zueinander angeordnet sein. 3 zeigt die erfindungsgemäßen Ausführungsformen. Darin zeigen die Figurenteile A und B Ausführungsformen mit vertikaler Anordnung der Materialzonen. Die Figurenteile C bis F zeigen Ausführungsformen mit horizontaler Anordnung der Materialzonen. Die Bezugsziffer (4) bezeichnet die vom Abgas zuerst kontaktierte Materialzone mit Umsatzprofil bei höheren Temperaturen. Die Bezugsziffern (5) und (7) bezeichnen vom Abgas nachgeordnet kontaktierte Materialzonen mit Umsatzprofil bei niedrigeren Temperaturen, wobei Bezugsziffer (7) nur für den Spezialfall verwendet wird, daß die nachgeordnet kontaktierte Materialzone einen in der SCR-Reaktion katalytisch aktiven Tragkörper darstellt. Bezugsziffer (6) bezeichnet einen inerten Tragkörper. Der durch zwei mit gestrichelten Linien umrissene Dreiecksflächen in Figurenteil C bezeichnete Bereich (8) kennzeichnet einen Überlappungsbereich der Materialzonen (4) und (5). Die mit Bezugsziffer (9) gekennzeichnete freie Fläche in Figurenteil E stellt eine unbeschichtete Zwischenzone zwischen zwei Materialzonen auf einem inerten Tragkörper dar.
Vertikale Anordnungen wie in 3B eignen sich immer dann, wenn als vom Abgas nachgeordnet zu kontaktierende Materialzone (7) Vollkatalysatoren mit Umsatzprofil bei niedrigeren Temperaturen eingesetzt werden, die gleichzeitig als Tragkörper für eine weitere katalytisch aktive Beschichtung mit Umsatzprofil bei höheren Temperaturen (4) dienen. Alternativ kann ein inerter Tragkörper (6) zunächst mit einer katalytisch aktiven Beschichtung mit einem Umsatzprofil bei niedrigeren Temperaturen (5) beschichtet werden und der so entstehende „Tieftemperatur-SCR-Katalysator" als Tragkörper für eine katalytisch aktive Beschichtung, die bei höheren Temperaturen gute SCR-Aktivität und -Selektivität zeigt (4), verwendet werden. Dadurch entsteht die in 3A dargestellte Ausführungsform.
Bei der Wahl der bevorzugten räumlichen Anordnung der Schichten sind unter anderem applikative Aspekte zu berücksichtigen. Bei einer vertikalen Anordnung der Schichten gemäß den 3A oder 3B ist zu bedenken, daß bei hohen Temperaturen negative Wechselwirkungen zwischen den Materialzonen nicht ausgeschlossen werden können. Beispielsweise kann durch thermisch induzierte Wanderungen von Übergangsmetallatomen aus (5) bzw. (7) in (4) hinein die Selektivität des Systems zerstört werden, da eine solche Innenwanderung zu einer unerwünschten Erhöhung der Oxidationskraft der vom Abgas zuerst kontaktierten Materialzone mit der Folge einer erhöhten Überoxidationsrate von Ammoniak bei höheren Betriebstemperaturen führt.
Werden die Materialzonen horizontal, also in Strömungsrichtung des Abgases nacheinander angeordnet (3C bis 3F), so wird die Kontaktfläche der Materialzonen selbst bei ihrer Überlappung (3C) deutlich reduziert. Dadurch sinkt die Wahrscheinlichkeit eines Grenzflächendurchtritts von Übergangsmetallatomen aus (5) bzw. (7) nach (4) deutlich. Dabei darf der Überlappungsbereich der Materialzonen (8) eine Längenausdehnung von 5 Millimeter in Strömungsrichtung des Katalysators nicht überschreiten.
Kann eine Überlappung der Materialzonen gänzlich vermieden werden, wie in den 3D und 3E dargestellt, so muß eine Schädigung der Selektivität des erfindungsgemäßen Katalysators durch die Diffusion von Übergangsmetallatomen aus Schicht (5) nach Schicht (4) nicht mehr befürchtet werden. Diese Ausführungsformen zeichnen sich daher durch eine verbesserte Alterungsstabilität gegenüber den Varianten 3A, 3B, 3C und 3F aus und sind somit ganz besonders bevorzugt. Dabei sollte die Entfernung zwischen den Materialzonen (9) eine Längenausdehnung von 5 Millimeter in Strömungsrichtung des Katalysators aus Gründen der effektiven Bauraumausnutzung nicht überschreiten.
Werden die Materialzonen in Strömungsrichtung nacheinander angeordnet, so stellt das Längenverhältnis der Materialzonen ebenfalls eine durch die Applikation bestimmte Optimierungsmöglichkeit dar. Ist der erfindungsgemäße strukturierte SCR-Katalysator für den Einsatz in einem Fahrzeug mit eher niedrigen Verbrennungstemperaturen wie einem Dieselfahrzeug oder für die Positionierung in einer weit vom Motor entfernten, eher kalten Position in der Abgasanlage vorgesehen, so daß die Betriebstemperaturen des Katalysators 350°C in der Regel nicht überschreiten, so muß die vom zu reinigenden Abgas nachgeordnet kontaktierte Materialzone den größten Anteil der Längenausdehnung des Katalysators einnehmen. Bevorzugt sind in solchen Applikationen Anordnungen mit einem Verhältnis der Materialzonen (4):(5) von 5:95 bis 45:55, besonders bevorzugt von 10:90 bis 25:75. Der Grund dafür liegt darin, daß die bevorzugt einen Eisen-ausgetauschten Zeolithen enthaltende Materialzone (4) schon bei geringen Temperaturen Ammoniak speichert, diesen bei Temperaturen unterhalb von 350°C aber nur langsam wieder abgibt. Wird der Ammoniak-Speicher der vom Abgas zuerst kontaktierten Materialzone überdimensioniert, so wird der hinteren und in diesem Temperaturbereich die Reinigungsaufgaben übernehmenden Materialzone der zur Umsetzung notwendige Ammoniak vorenthalten. Die Umsatzraten gehen zurück.
Ist der erfindungsgemäße strukturierte SCR-Katalysator für den Einsatz in einem Fahrzeug mit höheren Verbrennungstemperaturen, beispielsweise mit einem mager betriebenen, Benzin direkteinspritzenden Motor, oder für den Einbau in einer motornäheren Position vorgesehen, so muß die bevorzugt Eisen-ausgetauschten Zeolith enthaltende Materialzone (4) den Hauptteil der Beschichtung einnehmen. Wenn, wie in solchen Anwendungen nicht unüblich, die Betriebstemperaturen des Katalysators in der Regel oberhalb von 350°C liegen, muß ein möglichst vollständiger Umsatz der Stickoxide in der ersten Materialzone in Kombination mit einer möglichst geringen Ammoniak-Durchbruchsrate gewährleistet sein. Durch die erste Materialzone durchbrechende Stickoxide können in der hinteren Materialzone aufgrund ihres Umsatzprofils nicht mehr zufriedenstellend umgesetzt werden. Durchbrechender Ammoniak würde zudem wegen des Selektivitätsverlustes zu weiteren Stickoxiden überoxidiert. Bei entsprechender Dimensionierung der vom Abgas als zweites kontaktierten Materialzone kann deren Oxidationskraft positiv als Ammoniak-Sperrkatalysator ausgenutzt werden und zur weiteren Bauteileinsparung im Abgassystem beitragen. Bevorzugt sind in eher heißen Applikationen Anordnungen mit einem Verhältnis der Materialzonen (4):(5) von 95:5 bis 55:45, besonders bevorzugt von 90:10 bis 75:25.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand von zwei Vergleichsbeispielen, zwei Beispielen und den 1 bis 7 näher erläutert. Es zeigen
1: Umsatzprofile zweier konventioneller SCR-Katalysatoren.
2: Ausschnitt aus einer Rasterelektronenmikroskopaufnahme des Querschnittes durch einen inerten Wabenkörper (3) mit aufgebrachter Beschichtung bestehend aus zwei Materialzonen (1) und (2).
3: Bezüglich der räumlichen Anordnung der Materialzonen verschiedene bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen strukturierten SCR-Katalysatoren.
Hierin bezeichnen die Bezugsziffern

(4) die vom Abgas zuerst kontaktierte Materialzone mit Umsatzprofil bei höheren Temperaturen.
(5) die vom Abgas nachgeordnet kontaktierte Materialzone mit Umsatzprofil bei niedrigeren Temperaturen, wenn es sich nicht um einen in der SCR-Reaktion katalytisch aktiven Tragkörper handelt.
(6) einen inerten Tragkörper.
(7) einen in der SCR-Reaktion katalytisch aktiven Tragkörper als vom Abgas nachgeordnet kontaktierte Materialzone mit Umsatzprofil bei niedrigeren Temperaturen.
(8) Überlappungsbereich der Materialzonen.
(9) eine urbeschichtete Zwischenzone.

Die verschiedenen Bildteile zeigen als bevorzugte Ausführungsformen erfindungsgemäßer Katalysatoren

A und B die möglichen vertikalen Anordnungen zweier Materialzonen.
C: die horizontale Anordnung zweier Materialzonen auf einem inerten Tragkörper mit Überlappungsbereich;
D und E: die horizontale Anordnung zweier Materialzonen auf einem inerten Tragkörper ohne Überlappungsbereich;
F: die horizontale Anordnung zweier Materialzonen mit teilweisem Überlappungsbereich, wenn die vom Abgas nachgeordnet kontaktierte Materialzone ein in der SCR-Reaktion katalytisch aktiver Tragkörper ist.

3 hat bezüglich der dargestellten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Katalysatoren weder umfassenden noch ausschließlichen Charakter. Die Darstellung ist beispielhaft.
4: Umsatzprofile zweier frisch hergestellter erfindungsgemäßer strukturierter SCR-Katalysatoren mit vertikaler Anordnung der Materialzonen.
5: Stickoxid-Umsätze zweier erfindungsgemäßer strukturierter SCR-Katalysatoren mit vertikaler Anordnung der Materialzonen und eines herkömmlichen SCR-Katalysators nach hydrothermaler Alterung.
6: Umsatzprofil eines erfindungsgemäßen strukturierten SCR-Katalysators mit horizontaler Anordnung der Materialzonen in frisch hergestelltem Zustand.
7: Stickoxid-Umsatz eines erfindungsgemäßen strukturierten SCR-Katalysators mit horizontaler Anordnung der Materialzonen und eines herkömmlichen SCR-Katalysators nach hydrothermaler Alterung.
Vergleichsbeispiel 1:
In diesem Vergleichsbeispiel wurde das Umsatzprofil eines konventionellen SCR-Katalysators auf der Basis Eisen ausgetauschter Zeolithe untersucht. Solche Katalysatoren zeigen typischerweise ein Umsatzprofil mit Maximalumsätzen bei Temperaturen oberhalb von 300°C. Zur Herstellung dieses Vergleichskatalysators, der im Folgenden als VK 1 bezeichnet wird, wurden 6,4 g einer aus mit Eisen ausgetauschten Zeolithen bestehenden katalytisch aktiven Beschichtung auf einen inerten keramischen Wabenkörper aufgebracht. Das Volumen des Wabenkörpers betrug 0,04 l. Er besaß 62 Zellen pro cm² mit einer Wandstärke von 0,17 mm.
Die Untersuchung der Umsatzprofils erfolgte in einem stationären Test an einer Modellgasanlage mit folgenden Gaskonzentrationen:

Modellgaskomponente: Konzentration:

NO 500 ppm

NH₃ 425 ppm

O₂ 5 Vol%

H₂O 1,3 Vol%

N₂ Rest
Das Molverhältnis von Ammoniak zu den Stickoxiden wird bei Untersuchungen der SCR-Aktivität gewöhnlich mit Alpha bezeichnet:
Aus den in der Tabelle aufgeführten Gaskonzentrationen ergibt sich ein Alpha-Wert von α = 0,85. Die Raumgeschwindigkeit in den durchgeführten Modellgastests betrug 30.000 h^–1.
Das Ergebnis der Untersuchungen ist in 1 dargestellt. Hierin zeigen die mit (o) gekennzeichneten Kurven die Ergebnisse für VK1. Der Katalysator erreicht in frisch hergestelltem Zustand einen Stickoxid-Maximalumsatz von 70 % bei Temperaturen zwischen 350°C und 500°C. Da bei 500°C noch keine Degradation des Umsatzes zu beobachten ist, kann angenommen werden, daß das Umsatzniveau von ca. 70 % auch bei höheren Temperaturen gehalten werden kann. Unterhalb von 350°C steigen die Umsätze langsam und nahezu linear mit der Temperatur an. T₅₀ liegt bei 225°C. Der durch Überoxidation von Ammoniak entstehende N₂O-Gehalt nach Katalysator liegt im gesamten Temperaturfenster unterhalb von 10 ppm ist ist somit für die Festlegung des Umsatzprofils nicht relevant.
Demzufolge umfaßt das für VK1 typische Umsatzprofil im Sinne dieser Patentschrift den mit (|||) gekennzeichneten Temperaturbereich von 225°C bis > 500°C.
Vergleichsbeispiel 2:
In diesem Vergleichsbeispiel wurde das Umsatzprofil eines konventionellen SCR-Katalysators auf der Basis Kupfer ausgetauschter Zeolithe untersucht. Solche Katalysatoren zeigen nach Erfahrungen der Anmelderin aufgrund der höheren Oxidationswirkung des Kupfers in der Regel ein Umsatzprofil bei Temperaturen unterhalb von 350°C. Zur Herstellung dieses Vergleichskatalysators, der im Folgenden als VK 2 bezeichnet wird, wurden 10 g einer aus mit Kuper ausgetauschten Zeolithen bestehenden katalytisch aktiven Beschichtung auf einen inerten keramischen Wabenkörper aufgebracht. Das Volumen des Wabenkörpers betrug ebenfalls 0,04 l. Er besaß 62 Zellen pro cm² mit einer Wandstärke von 0,17 mm.
Die Untersuchung erfolgte in einem stationären Test an einer Modellgasanlage unter denselben Bedingungen wie in Vergleichsbeispiel 1.
Das Ergebnis der Untersuchungen ist in 1 dargestellt. Hierin zeigen die mit (∎) gekennzeichneten Kurven die Ergebnisse für VK2. Der Katalysator erreicht in frisch hergestelltem Zustand nach Durchschreiten des T₅₀-Wertes bei 175°C einen Stickoxid-Maximalumsatz von 74 % bei 240°C. Oberhalb von 350°C fallen die beobachteten Stickoxidumsätze deutlich ab und unterschreiten ab 380°C Werte von 66 %. Bereits bei tieferen Temperatur steigen die aus der Überoxidation von Ammoniak resultierenden N₂O-Konzentrationen auf über 25 ppm an.
Dementsprechend umfaßt das für VK2 typische Umsatzprofil im Sinne dieser Patentschrift den mit (≡) gekennzeichneten Temperaturbereich von 175°C bis 310°C.
1 zeigt sehr deutlich die für konventionelle SCR-Katalysatoren typische Einschränkung des Arbeitsbereiches, die durch den Zielkonflikt zwischen der mindestens erforderlichen Oxidationskraft zur effektiven Voroxidation von NO zu NO₂ einerseits und der maximal nutzbaren Oxidationskraft, die gerade noch zulässig ist, um eine Überoxidation des als Reduktionsmittel eingesetzten Ammoniak zu verhindern, andererseits, zustande kommt.
Beispiel 1:
Untersucht wurden Umsatzprofil und Alterungsverhalten zweier erfindungsgemäßer strukturierter SCR-Katalysatoren mit vertikaler Materialzonenanordnung. Zur Herstellung der Katalysatoren wurde eine aus zwei Materialzonen bestehende katalytisch aktive Beschichtung auf einen inerten keramischen Wabenkörper aufgebracht. Hierzu wurde der Wabenkörper zunächst mit einer Materialzone aus einem mit Kupfer ausgetauschten Zeolithen entsprechend Katalysator VK 2 aus Vergleichsbeispiel 2 versehen und zur besseren Haftung der Beschichtung bei 500°C für die Dauer von 2 Stunden an Luft kalziniert. Anschließend wurde eine weitere Materialzone bestehend aus einem mit Eisen ausgetauschten Zeolithen entsprechend VK 1 aus Vergleichsbeispiel 1 aufgebracht. Auf diese Weise wurden zwei erfindungsgemäße Katalysatoren mit vertikaler Materialzonenanordnung entsprechend 3A mit einem Katalysatorvolumen von 0,04 l hergestellt. Beide Katalysatoren wiesen eine Zellzahl von 62 Zellen pro cm² und eine Wandstärke von 0,17 mm auf. Der wesentliche Unterschied zwischen den beiden erfindungsgemäßen Katalysatoren bestand in dem in der nachstehenden Tabelle angegebenem Mengenverhältnis der Materialzonen.

Katalysator: Mengenverhältnis [untere Materialzone: obere Materialzone]

V1: [5:16]

V2: [16:5]
Bei einer solchen Anordnung der Materialzonen diffundiert das zu reinigende Abgas zunächst durch die aus mit Eisen ausgetauschtem Zeolith bestehende Materialzone, die sich durch ein Umsatzprofil bei höheren Temperaturen auszeichnet. Dort erfolgt die SCR-Reaktion bei Betriebstemperaturen oberhalb von 350°C. Nach Durchdringen dieser oberen Materialzone wird die unten liegende, den mit Kupfer ausgetauschten Zeolithen enthaltende Schicht erreicht, in der gegebenenfalls nicht umgesetzte Stickoxide mit nicht umgesetztem Ammoniak reagieren. Dies erfolgt insbesondere dann, wenn die Betriebstemperaturen des Katalysators noch unterhalb von 350°C liegen.
Das Umsatzprofil der beiden erfindungsgemäßen Katalysatoren wurde im frisch hergestellten Zustand in einem stationären Modellgastest untersucht. Die gewählten Testbedingungen entsprachen genau den in Vergleichsbeispiel 1 aufgeführten Bedingungen. 4 zeigt das Ergebnis der Untersuchung.
Beide erfindungsgemäße Katalysatoren weisen ein breiteres oder einen größeren Bereich des Zielarbeitsfensters abdeckendes Umsatzprofil auf als die Vergleichskatalysatoren aus den Vergleichsbeispielen 1 und 2. V1 zeigt mit einem T₅₀-Wert von 180°C einen etwas langsameren Anstieg des Stickoxid-Umsatzes im Tieftemperaturbereich als V2 mit T₅₀ von 160°C. Die maximale Konvertierung liegt für V1 bei 290°C mit 76 %, für V2 bei 240°C mit 78 % Konvertierung. Die sich daraus ergebenden oberen Grenzen des Umsatzbereiches von 68 % Konvertierung für V1 bzw. 70 % Konvertierung für V2 liegen bei 490°C (V1) bzw. 425°C (V2). Ein N₂O-Gehalt nach Katalysator von mehr als 25 ppm wird nicht beobachtet.
Aus dem gemessenen Daten ergibt sich für V1 das mit (|||) schraffierte Umsatzprofil von 180°C bis 490°C. Das durch (≡) gekennzeichnete Umsatzprofil von V2 umfaß den Temperaturbereich 160°C bis 425°C.
Im Vergleich zu den gewählten Vergleichskatalysatoren aus den beiden Vergleichsbeispielen, die den gegenwärtigen Stand der Technik repräsentieren, zeigten beide erfindungsgemäße Katalysatoren ein deutlich zu tieferen Temperaturen hin verschobenes bzw. erweitertes Umsatzprofil. Gegenüber VK2 wird eine signifikante Verbreiterung des Umsatzprofils erreicht. Gegenüber VK1 erreicht V1 eine Verbreiterung des Umsatzprofils im gemessenen und für die Anwendung relevanten Temperaturbereich.
Zusätzlich zum Umsatzprofil im frisch hergestellten Zustand wurde für diese beiden Katalysatoren das Leistungsverhalten nach hydrothermaler Alterung untersucht. Dazu wurden die Katalysatoren V1 und V2 einer synthetischen Alterung in einem auf 700°C aufgeheizten Ofen, in dem eine Atmosphäre bestehend aus 10 % Sauerstoff und 10 % Wasserdampf in Stickstoff herrschte, für die Dauer von 48 Stunden unterzogen. Anschließend wurden die beiden Katalysatoren erneut unter den in Vergleichsbeispiel 1 genannten Bedingungen an der Modellgasanlage getestet. Zum Vergleich mit herkömmlichen SCR-Katalysatoren wurde VK1 derselben Behandlung und Testung unterzogen. Das Ergebnis ist in 5 dargestellt.
Die erfindungsgemäßen Katalysatoren zeigen nach hydrothermaler Alterung erwartungsgemäß erhebliche Einbußen im Stickoxid-Umsatz insbesondere unterhalb von 350°C. Dieses Verhalten ist von herkömmlichen SCR-Katalysatoren, wie VK1 zeigt, bekannt und stellt ein allgemeines, bislang noch ungelöstes Problem dar. Der beobach tete Leistungseinbruch der erfindungsgemäßen Katalysatoren ist allerdings erheblich stärker als bei konventionellen Katalysatoren. Dies ist auf negative Wechselwirkungen zwischen den beiden Materialzonen zurückzuführen, vermutlich auf eine unkontrollierte Wanderung von Übergangsmetallatomen, die sich selektivitätszerstörend auswirkt. Eine solche Wechselwirkung läßt sich durch eine Verkleinerung der Kontaktflächen zwischen den Materialzonen erheblich minimieren.
Demzufolge ist eine horizontale Anordnung der Materialzonen insbesondere dann die bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung, wenn die Katalysatoren bei sehr hohen Temperaturen und Wasserdampfgehalten im Abgas eingesetzt werden sollen.
Beispiel 2:
In diesem Beispiel wurde ein erfindungsgemäßer Katalysator mit einer horizontalen Anordnung der Materialzonen, wie sie in 3D dargestellt ist, untersucht. Dazu wurde ein inerter keramischer Wabenkörper mit einem Volumen von 0,04 l und einer Zellenzahl von 62 Zellen pro cm², die eine Wandstärke von 0,17 mm aufwiesen, mit einer Beschichtung bestehend aus zwei Materialzonen versehen. Es wurde zunächst eine aus einem Eisen ausgetauschten Zeolithen bestehende Materialzone in einem konventionellen Tauchverfahren bis zur Hälfte der Längenausdehnung des inerten Tragkörpers aufgebracht. Dann wurde die noch unbeschichtete Hälfte mit einer Materialzone bestehend aus mit Kupfer ausgetauschtem Zeolithen versehen, so daß beide Materialzonen sich ohne Überlappungszone berührten.
In einem stationären Modellgastest wurde das Umsatzprofil des so hergestellten Katalysators H1 untersucht. Dabei wurden dieselben Testbedingungen gewählt, die in Vergleichsbeispiel 1 beschrieben wurden. Der Katalysator wurde so in den Modellgasreaktor eingebaut, daß die Materialzone, die den mit Eisen ausgetauschten Zeolithen enthält und das bei höheren Temperaturen gelegene Umsatzprofil aufweist, zuerst vom durchströmenden Modellgas kontaktiert werden mußte. Das Ergebnis der Messungen ist in 6 dargestellt.
Der erfindungsgemäße Katalysator H1 mit horizontaler Anordnung der Materialzonen erreicht ab einer Temperatur von 180°C Stickoxid-Umsätzevon mehr als 40 %. Der Maximalumsatz von 81 % wird nach Durchschreiten eines Umsatzplateaus bei 79-80 % ab 300°C bei 440°C erreicht. Dann erfolgt eine leichte Abnahme des Umsatzes, wobei eine Unterschreitung von 72 % im untersuchten Temperaturbereich bis 500°C nicht beobachtet wird. Die nach Katalysator gemessene Lachgas-Konzentration beträgt in der Regel weniger als 10 ppm.
Daraus ergibt sich für den gemessenen Katalysator ein durch die schraffierte Fläche gekennzeichnetes Umsatzprofil von 180°C bis > 500°C. Dies stellt gegenüber herkömmlichen SCR-Katalysatoren eine erhebliche Verbreiterung des Umsatzprofils insbesondere in Richtung des Tieftemperaturbereichs dar.
Nach Abschluß der Umsatzprofilanalyse in frisch hergestelltem Zustand wurde der erfindungsgemäße Katalysator H1 zusammen mit einem weiteren gemäß Vergleichsbeispiel 1 hergestellten Katalysator VK1' in einem Ofen einer synthetischen Alterung unter hydrothermalen Bedingungen unterzogen. Die Dauer der Alterung betrug 48 Stunden, die Temperatur 650°C. Die Atmosphäre im Ofen bestand aus 10 Vol% Sauerstoff und 10 Vol% Wasserdampf in Stickstoff. Nach Alterung wurden beide Katalysatoren in einem stationären Modellgastest untersucht, wobei erneut die in Vergleichsbeispiel 1 beschriebenen Testbedingungen verwendet wurden. Die Einbaurichtung für Katalysator H1 wurde wiederum so gewählt, daß das Modellgas zunächst die den mit Eisen ausgetauschten Zeolithen enthaltende Materialzone durchströmen mußte.
Die Ergebnisse der Untersuchung sind in 7 dargestellt. Wie bei den in Beispiel 1 gezeigten Ergebnissen wurde auch für den erfindungsgemäßen Katalysator mit horizontaler Materialzonenanordnung H1 ein deutliches Einbrechen des Stickoxid-Umsatzes im Tieftemperaturbereich beobachtet, das auch von herkömmlichen SCR-Katalysatoren wie VK1' bekannt ist. Im Unterschied zu den erfindungsgemäßen strukturierten SCR-Katalysatoren V1 und V2 aus Beispiel 1 kann mit H1 das Umsatzniveau des VK' im Temperaturbereich oberhalb 300°C jedoch gehalten bzw. leicht übertroffen werden. Unterhalb von 300°C zeigt H1 nach Alterung im Vergleich zum konventionellen SCR-Katalysator deutliche Umsatzverbesserungen. Durch die horizontale Anordnung der Materialzonen wird also zusätzlich zu einem verbreiterten Umsatzprofil im Frischzustand eine Verbesserung der Alterungsstabilität unter hydrothermalen Bedingungen erreicht.

Claims

Strukturierter SCR-Katalysator zur Reduktion von Stickoxiden im mageren Abgas von Verbrennungsmotoren unter Verwendung von Ammoniak oder einer zu Ammoniak zersetzlichen Verbindung als Reduktionsmittel, der sich zusammensetzt aus mehreren katalytisch aktiven Materialzonen, die auf einem gegebenenfalls katalytisch inerten Tragkörper (6) aufgebracht sind und welche vom Abgas zeitlich nacheinander kontaktiert werden, wobei sich die Materialzonen durch verschiedene Umsatzprofile der SCR-Reaktion auszeichnen, wobei das Umsatzprofil der vom zu reinigenden Abgas zuerst kontaktierten Materialzone (4) bei höheren Temperaturen liegt als das Umsatzprofil der vom zu reinigenden Abgas nachgeordnet kontaktierten Materialzone (5) bzw. (7), dadurch gekennzeichnet, daß die vom zu reinigenden Abgas zuerst kontaktierte Zone (4) einen Eisenausgetauschten Zeolithen enthält und die vom zu reinigenden Abgas nachgeordnet kontaktierte Materialzone (5) bzw. (7) einen Übergangsmetall-ausgetauschten Zeolithen oder ein Übergangsmetalloxid ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Vanadiumpentoxid, Wolframtrioxid und Titandioxid oder Kombinationen davon oder einen Übergangsmetall-ausgetauschten Zeolithen und ein Übergangsmetalloxid ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Vanadiumpentoxid, Wolframtrioxid und Titandioxid oder Kombinationen davon enthält.
Strukturierter SCR-Katalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Umsatzprofil der vom zu reinigenden Abgas zuerst kontaktierten Materialzone (4) im Temperaturbereich zwischen 350°C und 500°C liegt.
Strukturierter SCR-Katalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Umsatzprofil der vom zu reinigenden Abgas nachgeordnet kontaktierten Materialzone (5) bzw. (7) im Temperaturbereich zwischen 100°C und 400°C liegt.
Strukturierter SCR-Katalysator nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Übergangsmetall-ausgetauschte Zeolith ein Übergangsmetall ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kupfer, Mangan, Cobalt, Nickel, Silber und Gold oder Kombination davon enthält.
Strukturierter SCR-Katalysator nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß der Übergangsmetall-ausgetauschte Zeolith Kupfer enthält.
Strukturierter SCR-Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialzonen übereinander angeordnet sind, wobei die obere Schicht die vom zu reinigenden Abgas zuerst kontaktierte Materialzone (4) ist.
Strukturierter SCR-Katalysator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die vom zu reinigenden Abgas nachgeordnet kontaktierte Materialzone (5) zwischen der oberen Schicht und einem als Tragkörper verwendeten Wabenkörper (6) angeordnet ist.
Strukturierter SCR-Katalysator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die vom zu reinigenden Abgas nachgeordnet kontaktierte Materialzone identisch mit einem als Tragkörper verwendeten Wabenkörper (7) ist.
Strukturierter SCR-Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialzonen in Strömungsrichtung des Abgases nacheinander angeordnet sind.
Strukturierter SCR-Katalysator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialzonen auf einem als Tragkörper verwendeten Wabenkörper (6) bzw. (7) angeordnet sind.
Strukturierter SCR-Katalysator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialzonen einen Überlappungsbereich (8) mit einer Längenausdehnung in Strömungsrichtung von 0-5 Millimeter aufweisen.
Strukturierter SCR-Katalysator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Materialzonen eine unbeschichtete Zwischenzone (9) des Wabenkörpers mit einer Längenausdehnung in Strömungsrichtung von 0-5 Millimeter angeordnet ist.
Strukturierter SCR-Katalysator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die vom zu reinigenden Abgas zuerst kontaktierten Materialzone (4) 5 bis 95 % der Länge des Wabenkörpers einnimmt.
Abgasreinigungsanlagen enthaltend einen strukturierten SCR-Katalysator nach einem der Ansprüchen 1 bis 13.
Verwendung eines strukturierten SCR-Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Entfernung von Stickoxiden aus mageren Abgasen von Verbrennungsmotoren unter Verwendung von Ammoniak oder einer zu Ammoniak zersetzlichen Verbindung als Reduktionsmittel.
Verwendung eines strukturierter SCR-Katalysator nach Anspruch 13 zur Entfernung von Stickoxiden aus dem mageren Abgas von Verbrennungsmotoren unter Verwendung von Ammoniak oder einer zu Ammoniak zersetzlichen Verbindung als Reduktionsmittel, wobei der Katalysator überwiegend bei Temperaturen betrieben wird, die 350°C nicht übersteigen und die vom zu reinigenden Abgas zuerst kontaktierte Materialzone (4) 5 bis 50 % der Länge des Wabenkörpers einnimmt.
Verwendung eins strukturierter SCR-Katalysator nach Anspruch 13 zur Entfernung von Stickoxiden aus dem mageren Abgas von Verbrennungsmotoren unter Verwendung von Ammoniak oder einer zu Ammoniak zersetzlichen Verbindung als Reduktionsmittel, wobei der Katalysator überwiegend bei Temperaturen betrieben wird, die oberhalb von 350°C liegen und die vom zu reinigenden Abgas zuerst kontaktierte Materialzone (4) 50 bis 95 % der Länge des Wabenkörpers einnimmt.