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DE102007001129A1 - Oxidation catalyst for hydrocarbons, carbon monoxide and carbon particles, comprises metallic substrate, metal migration preventing layer, e.g. of silicate, and catalytically active layer - Google Patents

Oxidation catalyst for hydrocarbons, carbon monoxide and carbon particles, comprises metallic substrate, metal migration preventing layer, e.g. of silicate, and catalytically active layer Download PDF

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DE102007001129A1
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DE
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catalytically active
silicate
metal
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Withdrawn
Application number
DE102007001129A
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German (de)
Inventor
Volker Dr. Kurth
Phillippa Müller
Kristof Eisert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sued Chemie AG
Original Assignee
Sued Chemie AG
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Filing date
Publication date
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Abstract

A new catalyst (I) comprises: (i) a metallic substrate with an internal surface; (ii) a first layer, located on at least part of the external and/or internal surface of (i), containing a silicate, a phosphate or an early transition metal oxide; and (iii) a second, catalytically active layer, covering at least part of the first layer.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Katalysator, insbesondere einen Katalysator zur Verwendung bei der Oxidation von Kohlenwasserstoffen und zur Oxidation von Kohlenmonoxid und von abgelagerten organischen Partikeln (Ruß), sowie ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Katalysators.The The present invention relates to a catalyst, in particular a Catalyst for use in the oxidation of hydrocarbons and for the oxidation of carbon monoxide and deposited organic Particles (soot), as well as a method for producing the catalyst according to the invention.

Die Anwendung von Filtern im Abgasstrang von Verbrennungsmaschinen ist bekannt. Partikelfilter sind beispielsweise in der Lage, Rußpartikel aus dem Abgas von Verbrennungsmotoren, speziell Dieselmotoren, herauszufiltern und so deren Ausstoß in die Atmosphäre zu vermindern.The Application of filters in the exhaust system of internal combustion engines is known. Particle filters, for example, are capable of soot particles from the exhaust of internal combustion engines, especially diesel engines, filter out and so reduce their emissions to the atmosphere.

Dabei finden verschiedene Filterkonzepte Einsatz, wie z. B. so genannte „Wall-flow-Filter" oder Filter aus keramischen oder metallischen Schäumen. Die eigentliche Schwierigkeit besteht aber nicht in der Filtration der Rußpartikel, sondern in der Regeneration der eingesetzten Filter.there find different filter concepts use, such. B. so-called "wall-flow filter" or filters made of ceramic or metallic foams. The real difficulty does not exist in the filtration of Soot particles, but in the regeneration of the used Filter.

Kohlenstoffruß verbrennt je nach betriebsbedingter Zusammensetzung der Partikel spontan erst bei Temperaturen zwischen 500°C und 700°C. Diese Temperaturen werden aber z. B. von modernen Dieselmotoren im Allgemeinen nur bei Volllast erreicht.Carbon soot burns depending on the operational composition of the particles spontaneously at Temperatures between 500 ° C and 700 ° C. These temperatures but are z. B. of modern diesel engines in general only reached at full load.

Daher sind zusätzliche unterstützende Maßnahmen, beispielsweise zur Oxidation der aus dem Abgas abgetrennten Rußpartikel, notwendig. Dies kann durch Zusatz von Additiven oder durch katalytische Beschichtung der Filter oder Katalysatoren geschehen. Aus dem Stand der Technik sind Abgasreinigungskatalysatoren mit einer hohen Oxidationswirkung bekannt, so dass die Partikel bei einer tiefen Temperatur verbrannt werden können. Die Oberfläche der Filterkammer weist deshalb oft eine katalytisch aktive Beschichtung zur Beschleunigung der Verbrennung der auf dem Filter gesammelten Rußpartikel auf. Die katalytisch aktive Beschichtung oxidiert das im Abgas enthaltene Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid. Das entstandene Stickstoffdioxid verbessert dann die Oxidation der abgelagerten Partikel.Therefore are additional supportive measures, For example, for the oxidation of the separated from the exhaust soot particles, necessary. This can be done by adding additives or by catalytic Coating the filter or catalysts happen. From the state The technology is exhaust gas purification catalysts with a high oxidation efficiency known so that the particles burned at a low temperature can be. The surface of the filter chamber therefore often has a catalytically active coating for acceleration the combustion of soot particles collected on the filter on. The catalytically active coating oxidizes the gas contained in the exhaust gas Nitric oxide to nitrogen dioxide. The resulting nitrogen dioxide improves then the oxidation of the deposited particles.

Aus dem Stand der Technik sind weiter eine Vielzahl von mit katalytisch aktiven Materialien beschichteten Trägern für Abgasfilter bzw. Abgaskatalysatoren bekannt. Typischerweise basieren die katalytisch aktiven Schichten derartiger geträgerter Katalysatoren auf Aluminium-, Cer-, Wolfram-, Titan- und Zirkonoxid, die noch zusätzlich katalytisch aktive Edelmetalle zur Oxidation von Kohlenwasserstoffen, zur Oxidation von CO und von abgelagerten organischen Partikeln, wie z. B. Ruß und dergleichen enthalten.Out The prior art are further a variety of catalytic with active materials coated carriers for Exhaust filter or catalytic converter known. Typically based the catalytically active layers of such supported Catalysts on aluminum, cerium, tungsten, titanium and zirconium oxide, the additionally catalytically active precious metals for Oxidation of hydrocarbons, oxidation of CO and of deposited organic particles such. As soot and the like contain.

Katalytisch aktive Metalloxide oder ihre Hydroxide, einschließlich diejenigen, die insbesondere für die Zwecke der vorliegenden Erfindung benutzt werden, sind im Wesentlichen wasserunlöslich. Üblich ist es daher im Stand der Technik z. B. Aluminiumoxide als wässrige Aufschlämmung mit wasserlöslichen Salzen der Oxide, insbesondere Nitrate, Chloride, Hydroxide, Sulfite, Acetate oder Komplexverbindungen der katalytisch aktiven Metalle auf Substrate aufzubringen bzw. diese damit zu imprägnieren und diese Salze anschließend bei hohen Temperaturen zu zersetzen, wobei deren Oxide entstehen.catalytic active metal oxides or their hydroxides, including those specifically for the purpose of the present Used in the invention are essentially water-insoluble. Common it is therefore in the prior art z. B. aluminum oxides as aqueous Slurry with water-soluble salts of the oxides, in particular nitrates, chlorides, hydroxides, sulfites, acetates or Complex compounds of the catalytically active metals on substrates apply or impregnate them with it and this Salts then decompose at high temperatures, wherein their oxides are formed.

Angestrebt wird eine kontinuierliche Regeneration des Partikelfilters, ohne dass z. B. eine periodische Nacheinspritzung von Kraftstoff zur Erhöhung der Abgastemperatur erforderlich ist. Um die Effizienz des Katalysators zu erhöhen, muss daher eine große Oberfläche bereitgestellt werden, damit die katalytisch aktiven Zentren mit den Rußpartikeln in Berührung kommen können. Die dabei notwendige große Oberfläche wird beispielsweise dadurch erzeugt, dass eine Schicht eines Katalysatorträ gers, wie beispielsweise oberflächenreiches gamma-Aluminiumoxid oder Titanoxid auf einem Filtermaterial abgelagert wird und ein Metall, insbesondere ein Metall der Platingruppe, das als aktive Spezies für die Oxidation von Partikelmaterial bekannt ist, mittels einer Metallsalzlösung oder Metallkomplexverbindung in den Filter integriert wird.The aim will be a continuous regeneration of the particulate filter, without that z. B. a periodic post-injection of fuel to Increasing the exhaust gas temperature is required. To the efficiency Therefore, to increase the catalyst, it must be a large Surface be provided so that the catalytic active centers with the soot particles in contact can come. The necessary large surface is produced, for example, by a layer of a catalyst carrier, such as high surface area gamma-alumina or titanium oxide is deposited on a filter material and a Metal, in particular a platinum group metal, which is active Species known for the oxidation of particulate material is by means of a metal salt solution or metal complex compound is integrated into the filter.

Für die katalytische Beschichtung von derartigen Substraten, insbesondere mit innerer Oberfläche, d. h. also poröse Substrate bzw. Metallmonolithe mit im Wesentlichen durchgehenden Kanälen, werden wie vorstehend schon ausgeführt unterschiedliche Beschichtungsverfahren und Beschichtungsmaterialien unter Verwendung von so genannten „washcoats" (worunter üblicherweise meist wässrige Aufschlämmungen von Feststoffen verstanden werden) verwendet.For the catalytic coating of such substrates, in particular with inner surface, d. H. so porous substrates or metal monoliths with essentially continuous channels, be different as already stated above Coating methods and coating materials using of so-called "washcoats" (under which usually mostly aqueous slurries of solids understood) are used.

So offenbaren die US-Patente 3,894,965 , 4,900,712 und 4,003,976 verschiedene „Washcoats", die eine Vielzahl von Oxiden, die katalytisch aktiv sind, wie beispielsweise La2O3, Co2O3, Nd2O3, TiO2, ZrO2, CeO2 etc, allein oder in Kombination enthalten.This is what the U.S. Patents 3,894,965 . 4,900,712 and 4,003,976 various "washcoats" containing a plurality of oxides that are catalytically active, such as La 2 O 3 , Co 2 O 3 , Nd 2 O 3 , TiO 2 , ZrO 2 , CeO 2, etc., alone or in combination.

Die US 2004/0192546 A1 offenbart einen Katalysator für die Niedertemperaturoxidation von Kohlenwasserstoffen in Gegenwart von Sauerstoff und Wasserdampf. Dieser Katalysator umfasst ein Aluminiumoxid mit hoher Oberfläche, des Weiteren Zinnoxid und wenigstens ein Edelmetall aus der Gruppe bestehend aus Palladium, Platin, Rhodium oder einer Kombination davon, der auf einem monolithischen Träger mittels eines Washcoats aufgebracht wird.The US 2004/0192546 A1 discloses a catalyst for the low temperature oxidation of hydrocarbons in the presence of oxygen and water vapor. This catalyst comprises a high surface area alumina, further tin oxide, and at least one noble metal selected from the group consisting of palladium, platinum, rhodium or a combination thereof, which is applied to a monolithic carrier by means of a washcoat.

Die US 6,887,815 offenbart weiter ein poröses Material zur katalytischen Umwandlung von Abgasen, umfassend einen Katalysator, der als aktive Spezies Eisen und Silber enthält.The US 6,887,815 further discloses a porous material for the catalytic conversion of exhaust gases comprising a catalyst containing as active species iron and silver.

Weitere einfache Verfahren, wie das Eintauchen des Katalysatorträgers in einen Washcoat und das Entfernen von überschüssigem Washcoat durch Ausblasen mit Luft, sind ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt, wie auch Beschichtungsverfahren unter Einsatz von Zentrifugen. Ebenso ist auch die Möglichkeit des Besprühens poröser Formkörper mit einem Washcoat vorgeschlagen worden. Als Beschichtung werden zumeist in der Regel auf Aluminiumoxid basierende Washcoats eingesetzt, die durch ihre große Oberfläche charakterisiert sind.Further simple procedures, such as dipping the catalyst support into a washcoat and removing excess Washcoat by blowing out with air, are also out of the state the technique known, as well as coating method using of centrifuges. As well as the possibility of spraying porous molded body proposed with a washcoat Service. As a coating are usually usually on alumina based washcoats used by their large surface area are characterized.

Dabei werden in dem auf beispielsweise Aluminiumoxid basierenden Washcoat Metalle wie die Metalle der Platingruppe, z. B. durch Lösung, Totalabsorption oder durch Tränken mit Edelmetall-haltigen Lösungen oder durch Einarbeiten in den Washcoat vor der Beschichtung, integriert.there are in the example based on alumina washcoat Metals such as platinum group metals, e.g. By solution, Total absorption or by impregnation with precious metal-containing Solutions or by incorporating in the washcoat before Coating, integrated.

Die für die Partikeloxidation zur Verfügung stehende Oberfläche hat einen erheblichen Einfluss auf den katalytischen Umsatz und insbesondere auf die Langzeitstabilität des Katalysators. Es ist bekannt, dass zur Erhöhung der Stabilität der Aluiniumoxidoberfläche den Washcoats oft stabilisierende Elemente, wie z. B. Cer oder Lanthan, beigemischt werden können.The available for particle oxidation Surface has a significant influence on the catalytic Sales and in particular the long - term stability of the Catalyst. It is known that to increase stability the alumina surface of washcoats often stabilizing elements, such as As cerium or lanthanum, can be added.

Die aus dem Stand der Technik bekannten Katalysatoren weisen jedoch das Problem auf, dass nach einer gewissen Zeit der Alterung des Katalysators im laufenden Betrieb ein signifikanter Rückgang an katalytischer Aktivität beobachtet wurde. Insbesondere trifft dies bei Langzeiteinsätzen bei erhöhten Temperaturen zu, wie sie beispielsweise in Verbrennungsmotoren auftreten. Eine derartige Alterung kann auch beispielsweise durch längeres Erhitzen im Labormaßstab zur Untersuchung der Eigenschaften neuer Katalysatoren simuliert werden.The However, catalysts known from the prior art have the problem on that after a period of aging of the Catalyst during operation a significant decrease catalytic activity was observed. Especially This applies to long-term use at elevated temperatures to, as they occur for example in internal combustion engines. A Such aging can also be prolonged, for example Laboratory-scale heating to study the properties of new ones Catalysts are simulated.

Es wird angenommen, dass der Verlust an katalytischer Aktivität durch Sintern der entstandenen (Edel)Metallcluster und Er niedrigung der BET-Oberfläche des Washcoats hervorgerufen wird.It It is believed that the loss of catalytic activity by sintering the resulting (noble) metal clusters and He niedigung the BET surface of the washcoat is caused.

Insbesondere bei Metallsubstraten erfolgt die Deaktivierung bzw. Verlust an katalytischer Aktivität auch durch Migration von Metallen aus dem Substrat in die Washcoatschicht. Dies trifft insbesondere bei Übergangsmetallen zu, die beispielsweise auf der Oberfläche der auf Aluminiumoxid basierenden Washcoats katalytisch inaktive Spinelle bilden können, die die katalytische Aktivität dieser Schicht beträchtlich herabsetzen. Ebenso können diese Metalle, welche ursprünglich aus dem Metallsubstrat stammen, mit den katalytisch aktiven Metallen in Wechselwirkung treten und damit deren katalytische Aktivität herabsetzen.Especially with metal substrates deactivation or loss of catalytic occurs Activity also by migration of metals from the substrate in the washcoat layer. This is especially true for transition metals to, for example, on the surface of the on alumina based washcoats can form catalytically inactive spinels, the the catalytic activity of this layer considerably decrease. Likewise, these metals, which originally come from the metal substrate, with the catalytically active metals interact and thus their catalytic activity decrease.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, einen auf einem Metallsubstrat basierenden Katalysator bereitzustellen, der die Migration von Metallen und insbesondere die Bildung katalytisch inaktiver Phasen verhindert und damit die Langzeitstabilität des Katalysators erhöht.task Therefore, it was the object of the present invention to provide a metal substrate to provide a catalyst based on the migration of metals and in particular prevents the formation of catalytically inactive phases and thus increases the long-term stability of the catalyst.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Bereitstellung eines Katalysators gelöst, der Folgendes umfasst:

  • i) ein metallisches Substrat, das eine innere Oberfläche aufweist;
  • ii) eine erste Schicht, die zumindest bereichsweise sowohl auf der äußeren und/oder der inneren Oberfläche des Substrats angeordnet ist, enthaltend ein Silikat, ein Phosphat oder ein Oxid der frühen Übergangsmetalle;
  • iii) eine zweite Schicht, die katalytisch aktiv ist, und die zumindest bereichsweise die erste Schicht bedeckt.
According to the invention, this object is achieved by providing a catalyst comprising:
  • i) a metallic substrate having an inner surface;
  • ii) a first layer at least partially disposed on both the outer and / or inner surface of the substrate, comprising a silicate, a phosphate, or an early transition metal oxide;
  • iii) a second layer, which is catalytically active, and at least partially covering the first layer.

Durch das zumindest bereichsweise Aufbringen einer ersten Schicht auf die äußere und/oder die innere Oberfläche des vor zugsweise porösen metallischen Katalysatorsubstrats, die Silikate, Phosphate oder ein Oxid der frühen Übergangsmetalle oder Mischungen davon, vorzugsweise Aluminiumsilikate, Titan- und Zirkoniumoxid, enthält, wird die Wanderung von Metallen, insbesondere von katalytisch aktiven Übergangsmetallen, wie beispielsweise Nickel, Chrom, Eisen etc., vom metallischen Substrat in die Washcoatschicht verhindert.By the at least partially applying a first layer the outer and / or the inner surface the preferably porous metallic catalyst substrate, the silicates, phosphates or an early transition metal oxide or mixtures thereof, preferably aluminum silicates, titanium and Contains zirconium oxide, the migration of metals, in particular of catalytically active transition metals, such as nickel, chromium, iron, etc., from the metallic substrate prevented in the washcoat.

Der Begriff „metallisch" umfasst dabei sowohl reine Metalle wie auch Metalllegierungen.Of the The term "metallic" includes both pure metals as well as metal alloys.

Ein erfindungsgemäßer Katalysator wies überraschenderweise auch bei einer Alterung im Laborversuch bei 800°C über 48 h nur einen Abfall von katalytischer Aktivität von weniger als 5% auf, gemessen als Oxidationswirkung von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid.One Inventive catalyst surprisingly even at an aging in the laboratory experiment at 800 ° C over 48 h only a drop in catalytic activity of less as 5%, measured as the oxidation effect of hydrocarbons and carbon monoxide.

Der Begriff „innere Oberfläche" bedeutet vorliegend, dass der Substratformkörper im Inneren Öffnungen bzw. Ausnehmungen aufweist, deren Oberfläche beschichtet werden kann. Darunter werden z. B. Poren, Kanäle etc. im Inneren des Formkörpers verstanden.Of the Term "inner surface" means presently, that the substrate molding in the interior openings or has recesses whose surface is coated can be. Including z. As pores, channels, etc. in Inside the molding understood.

Das metallische Substrat ist bevorzugt porös oder von Kanälen zumindest bereichsweise vollständig durchzogen, nicht einschränkende Beispiele sind beispielsweise so genannte Metallschäume und Metallmonolithe wie sie z. B. von den Firmen Inco und Emitec kommerziell erhältlich sind.The Metallic substrate is preferably porous or channels at least partially completely traversed, not restrictive Examples are, for example, so-called metal foams and metal monoliths as z. From the companies Inco and Emitec are commercially available.

Das Oxid der frühen Übergangsmetalle kann beispielsweise Titandioxid, Zirkoniumdioxid, Yttriumdioxid, Hafniumdioxid, Lanthandioxid, Scandiumdioxid oder Tantaldioxid oder deren Mischungen sein. Ganz besonders bevorzugt sind Titandioxid und Zirkoniumdioxid, am meisten bevorzugt ist Zirkoniumdioxid.The For example, oxide of the early transition metals Titanium dioxide, zirconia, yttria, hafnia, lanthanum dioxide, Scandium dioxide or tantalum dioxide or mixtures thereof. All most preferred are titanium dioxide and zirconia zirconia is preferred.

In weiteren besonders bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung kann das Oxid der frühen Übergangsmetalle, hier insbesondere Titan- und/oder Zirkoniumoxid, durch ein zweiwertiges Metallkation, wie Magnesium, Calcium, Barium oder Strontium, dotiert sein, was den vorteilhaften Effekt hat, dass möglicherweise wandernde Übergangsmetalle aus dem metallischen Substrat besonders bevorzugt Erdalkaliübergangsmetallverbindungen bilden, die besonders stabil sind und die weitere Wanderung der Metallkationen vom metallischen Substrat in die katalytisch aktive Schicht stoppen. Die Dotierung kann nicht nur durch ein einziges zweiwertiges Metallkation erfolgen, sondern auch durch mehrere der vorgenannten Metalle bzw. Metallkationen.In further particularly preferred embodiments of the invention can be the oxide of the early transition metals, here in particular titanium and / or zirconium oxide, by a divalent Metal cation, such as magnesium, calcium, barium or strontium, doped be what has the beneficial effect that possibly migrating transition metals from the metallic substrate particularly preferred alkaline earth transition metal compounds form, which are particularly stable and the further migration of the Metal cations from the metallic substrate into the catalytically active Stop shift. The doping can not only by a single divalent metal cation, but also by several of the aforementioned metals or metal cations.

Als Silikate können fast alle natürlich vorkommenden oder künstlich hergestellten Silikate verwendet werden, beispielsweise so genannte Insel- bzw. Neosilikate wie Phenakit, Forsterit, Granate, beispielsweise Grossular, und Zirkon (Zirkoniumsilikat). Weitere Silikate für die Zwecke der vorliegenden Erfindung sind so genannte Gruppen- bzw. Sorosilikate mit Disilikatbaugruppen, wie beispielsweise Hemimorphit.When Silicate can almost all naturally occurring or artificially produced silicates, For example, so-called island or neosilicates such as phenakite, Forsterite, grenade, for example Grossular, and zircon (zirconium silicate). Other silicates for the purposes of the present invention are so-called group or sorosilicates with disilicate assemblies, such as hemimorphite.

Weitere erfindungsgemäße Beispiele sind natürliche Ringsilikate (Cyclosilikate) mit Cyclotri- und -hexasilikatbaugruppen wie Alpha-Wollastonit, Bentoit, Beryll etc.Further Examples according to the invention are natural Ring silicates (cyclosilicates) with cyclotri- and -hexasilikatbaugruppen like alpha wollastonite, bentoite, beryll etc.

Noch weitere Beispiele erfindungsgemäß einsetzbarer Silikate sind so genannte Ketten- und Bandsilikate (Inosilikate) mit kettenförmigen Polysilikatbaueinheiten, wie beispielsweise Beta-Wollastonit und die Gruppe der Pyroxene, wie beispielsweise Enstatit oder Spodumen. Weitere bevorzugte Silikate sind Amphibole, wie beispielsweise Tremolit und Formblenden.Yet further examples can be used according to the invention Silicates are so-called chain and ribbon silicates (inosilicates) with chain-shaped polysilicate units, such as Beta wollastonite and the group of pyroxenes, such as enstatite or spodumene. Other preferred silicates are amphiboles, such as Tremolite and mold panels.

Außerdem können Schichtsilikate (Phyllosilikate), die schichtförmige Polysilikatbaueinheiten aufweisen, erfindungsgemäß verwendet werden. Typische Beispiele, die erfindungsgemäß ge eignet sind, sind beispielsweise Serpentin und Kaolinit. Weitere Beispiele aus dieser Gruppe sind der so genannte faserige Serpentin (Chrysotil) sowie blättriger Serpentin (Antigorit) sowie Kaolinit und formelgleich, jedoch vom Schichtaufbau verschieden Dikkit bzw. Nakrit sowie Halloysit. Außerdem kann auch Pyrophyllit verwendet werden.Furthermore can phyllosilicates (layered silicates), the layered Having polysilicate units, used according to the invention become. Typical examples which are suitable according to the invention are, for example, serpentine and kaolinite. Further examples from this group are the so-called fibrous serpentine (chrysotile) as well as leafy serpentine (antigorite) as well as kaolinite and same formula, but Dikkit or Nakrit as well as different from the layer structure Halloysite. In addition, pyrophyllite can also be used.

In weiteren bevorzugten Ausführungsformen können ebenfalls so genannte Alumosilikate verwendet werden, bei denen Silizium teilweise durch Aluminium ersetzt ist. Beispiele umfassen die Gruppe der Glimmer, wie Sillimanit, Mollit, Phlogopit, Paragonit, Vermikulit und Morillonit. Als Phosphate sind erfindungsgemäß beispielsweise Phosphorit, Polyphosphate, cyclische Metaphosphate, Ultraphosphate einsetzbar.In further preferred embodiments also be used so-called aluminosilicates in which Silicon is partially replaced by aluminum. Examples include the group of mica, such as sillimanite, mollit, phlogopite, paragonite, vermiculite and morillonite. As phosphates according to the invention, for example Phosphorite, polyphosphates, cyclic metaphosphates, ultraphosphates can be used.

Die Dicke der ersten Schicht (auch „Schutzschicht" genannt) beträgt < 500 μm, bevorzugt < 100 μm, besonders bevorzugt < 20 μm. Diese Schutzschicht ist nur wenig porös und weist eine niedrige BET-Oberfläche (DIN 66131) von < 1 m2/g, bevorzugt < 0.5 m2/g auf.The thickness of the first layer (also called "protective layer") is <500 μm, preferably <100 μm, particularly preferably <20 μm This protective layer is only slightly porous and has a low BET surface area (DIN 66131) of <1 m 2 / g, preferably <0.5 m 2 / g.

In besonders vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung enthält die katalytisch aktive Schicht Metalloxide, die ausgewählt sind aus Al2O3, CeO2, La2O3, ZnO, ZrO2, SnO2, Y2O3, WO3, TiO2 und Mischungen davon.In particularly advantageous embodiments of the invention, the catalytically active layer contains metal oxides which are selected from Al 2 O 3 , CeO 2 , La 2 O 3 , ZnO, ZrO 2 , SnO 2 , Y 2 O 3 , WO 3 , TiO 2 and mixtures from that.

Die katalytisch aktive Schicht enthält daneben bevorzugt ein weiteres katalytisch aktives Metall, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Wolfram, Eisen, Vanadium, Platin, Silber, Gold, Palladium, Ruthenium, Rhodium bzw. Mischungen davon.The In addition, catalytically active layer preferably contains a Another catalytically active metal selected from the Group consisting of tungsten, iron, vanadium, platinum, silver, gold, Palladium, ruthenium, rhodium or mixtures thereof.

Die Schichtdicke der katalytisch aktiven Schicht beträgt dabei < 500 μm, bevorzugt < 100 μm, besonders bevorzugt < 20 μm.The Layer thickness of the catalytically active layer is <500 μm, preferably <100 μm, especially preferably <20 microns.

Ein typisches Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Katalysators umfasst die Schritte:

  • i) des Bereitstellens eines metallischen Substrats, das eine innere Oberfläche aufweist;
  • ii) des zumindest bereichsweisen Aufbringens einer ein Silikat, Phosphat oder ein Oxid der frühen Übergangsmetalle enthaltenden ersten Schicht auf die innere und/oder äußere Oberfläche des Substrats;
  • iii) des anschließenden Aufbringens einer Washcoat-Zusammensetzung enthaltend katalytisch aktive Substanzen.
A typical process for preparing a catalyst according to the invention comprises the steps:
  • i) providing a metallic substrate having an inner surface;
  • ii) at least partially applying a first layer containing a silicate, phosphate or an early transition metal oxide to the inner and / or outer surface of the substrate;
  • iii) subsequently applying a washcoat composition containing catalytically active substances.

Wie vorstehend schon ausgeführt ist das metallische Substrat porös oder weist zumindest bereichsweise durchgehende Kanäle auf.As already stated is the metallic substrate porous or has at least partially through channels on.

Der Schritt des zumindest bereichsweisen Aufbringens einer ersten Schicht erfolgt in einfacher Weise bevorzugt durch das Tränken des Substrats in einer Suspension, in ein Sol-Gel oder in eine Lösung enthaltend ein Silikat, ein Phosphat oder ein Oxid der frühen Übergangsmetalle.Of the Step of at least partially applying a first layer takes place in a simple manner preferably by soaking containing the substrate in a suspension, in a sol-gel or in a solution a silicate, phosphate or early transition metal oxide.

Zwischen den Schritten b) und c) erfolgt ein Trocknungs- und/oder Kalzinierungsschritt.Between Steps b) and c) are followed by a drying and / or calcining step.

Die katalytisch aktive Schicht wird bevorzugt in Form eines Washcoats durch Tränken, Aufsprühen oder Durchsaugen aufgebracht, der als katalytisch aktiven Substanzen bevorzugt Metallverbindungen der vorstehend beschriebenen katalytisch aktiven Metalle enthält. Derartige Metallverbindungen sind beispielsweise Nitrate, Chloride, Sulfate, Sulfite, Acetate etc. oder Komplexverbindungen dieser Metalle. Natürlich sind auch die entsprechenden Oxide in Form von Aufschlämmungen verwendbar.The Catalytically active layer is preferably in the form of a washcoat applied by soaking, spraying or soaking, the preferred catalytically active substances metal compounds of contains catalytically active metals described above. Such metal compounds are, for example, nitrates, chlorides, Sulfates, sulfites, acetates, etc. or complex compounds of these metals. Naturally are also the corresponding oxides in the form of slurries usable.

Nach dem Aufbringen des Washcoats erfolgt typischerweise ein Trocknungs- oder Kalzinierungsschritt, worauf zusätzlich abschließend eine Metall- bzw. Edelmetalldotierung der Washcoat-Oberfläche mit weiteren katalytisch aktiven Metallen bzw. deren Verbindungen, wie Nitrate, Chloride, Sulfate, Sulfite, Acetate oder der Komplexverbindungen, erfolgen kann.To the application of the washcoat is typically carried out by a drying or calcination step, whereupon in addition a metal or precious metal doping of the washcoat surface with other catalytically active metals or their compounds, such as Nitrates, chlorides, sulfates, sulfites, acetates or complex compounds, can be done.

Verwendung findet der erfindungsgemäße Katalysator bei der Oxidation von Kohlenwasserstoffen oder bei der Oxidation von CO und von abgelagerten organischen Partikeln, insbesondere Ruß in Verbrennungsmotoren. Der jeweils bevorzugte Verwendungszweck hängt jedoch insbesondere von der Art der Metalle und der Metalloxide ab.use finds the catalyst according to the invention in the Oxidation of hydrocarbons or in the oxidation of CO and of deposited organic particles, especially soot in internal combustion engines. However, the particular preferred use depends in particular on the type of metals and metal oxides.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren und der Beispiele im Detail beschrieben, wobei die nachfolgenden Beispiele jedoch nicht als einschränkend für den Umfang der Erfindung verstanden werden sollen.The Invention will be described below with reference to the figures and the examples however, the following examples are described in detail not as limiting to the scope of the invention to be understood.

Figurencharacters

1 zeigt das EDX-Spektrum eines porösen Substrats, das mit einem Washcoat gemäß dem Stand der Technik beschichtet wurde. 1 Figure 3 shows the EDX spectrum of a porous substrate coated with a prior art washcoat.

2 zeigt das EDX-Spektrum des mit dem Washcoat beschichteten Substrats nach Alterung. 2 shows the EDX spectrum of the washcoated substrate after aging.

3 zeigt das EDX-Spektrum eines erfindungsgemäßen Katalysators basierend auf einem porösen Substrat, der zwischen Substrat und katalytisch aktiver Schicht eine Zwischenschicht aus mit CaO stabilisiertem Zirkoniumdioxid aufweist. 3 shows the EDX spectrum of a catalyst according to the invention based on a porous substrate having an intermediate layer of CaO stabilized zirconia between the substrate and the catalytically active layer.

4 zeigt das EDX-Spektrum eines erfindungsgemäßen Katalysators basierend auf einem porösen Substrat, der zwischen Substrat und katalytisch aktiver Schicht eine Zwischenschicht aus Aluminiumsilikat aufweist. 4 shows the EDX spectrum of a catalyst according to the invention based on a porous substrate having an intermediate layer of aluminum silicate between the substrate and catalytically active layer.

Ein nickelhaltiger, poröser Metallschaumkörper folgender Legierungszusammensetzung wurde für sämtliche nachstehenden Ausführungsbeispiele als Katalysatorträger verwendet: 55,90 Gew.-% Ni, 0,23 Gew.-%, Co, 4,84 Gew.-% Fe, 22,49 Gew.-% Cr, 10,79 Gew.-% Mo, 3,83 Gew.-% Nb, 0,20 Gew.-% Al, 1,71 Gew.-% Si.One nickel-containing, porous metal foam body following Alloy composition was for all following embodiments as a catalyst support used: 55.90 wt.% Ni, 0.23 wt.%, Co, 4.84 wt.% Fe, 22.49 Wt% Cr, 10.79 wt% Mo, 3.83 wt% Nb, 0.20 wt% Al, 1.71 Wt.% Si.

Der im Rahmen der vorliegenden Ausführungsbeispiele verwendete Washcoat ist in Beispiel 3 der US 4,900,712 im Detail beschrieben. Der Washcoat wies eine Dichte von 1,45 kg/l und einem Feststoffgehalt von 45,26% auf.The washcoat used in the present embodiments is in Example 3 of US 4,900,712 described in detail. The washcoat had a density of 1.45 kg / l and a solids content of 45.26%.

Ausführungsbeispiel 1Embodiment 1

Ein nickel- und chromhaltiger streifenförmiger Inconel625-Metall-Schaumkörper wurde zunächst durch Tauchen in eine Aluminiumsilikat enthaltende Suspension (ceramic coating grade HE, Büro für Angewandte Mineralogie, Dr. S. Rudolph in Tönisvorst) und anschließender Trocknung bei 120°C und Härtung bei 400°C mit einer dünnen Schicht (Zwischenschicht oder Schutzschicht) überzogen. Das ceramic coating HE enthält 70% Al2O3·SiO2 sowie als Binder 30% Alkalisilikat. Diese Schicht zeichnet sich durch eine geringe Porosität verbunden mit einer niedrigen BET-Oberfläche (DIN 66131) von < 1 m2/g, bevorzugt < 0.5 m2/g aus. Anschließend wurde der Träger noch mit einem auf Aluminiumoxid basierenden Washcoat beschichtet, bei 120°C getrocknet und bei 550°C für drei Stunden kalziniert. Der beschichtete Körper wurde durch thermische Behandlung bei 750°C für 24 Stunden in Luftatmosphäre altern gelassen, wodurch die Wechselwirkung von Metallsubstrat und katalytischer Beschichtung beim Regenerieren eines Partikelfilters simuliert wurde.A nickel- and chromium-containing strip-shaped Inconel625 metal foam body was first dipped in a suspension containing aluminum silicate (ceramic coating grade HE, Office for Applied Mineralogy, Dr. S. Rudolph in Tönisvorst) and then dried at 120 ° C. and cured at 400 ° C coated with a thin layer (intermediate layer or protective layer). The ceramic coating HE contains 70% Al 2 O 3 .SiO 2 and, as binder, 30% alkali silicate. This layer is characterized by a low porosity combined with a low BET surface area (DIN 66131) of <1 m 2 / g, preferably <0.5 m 2 / g. Subsequently, the support was coated with an alumina-based washcoat, dried at 120 ° C and calcined at 550 ° C for three hours. The coated body was aged by thermal treatment at 750 ° C for 24 hours in air atmosphere, simulating the interaction of metal substrate and catalytic coating in regenerating a particulate filter.

Die Beschichtung wurde mittels REM- und EDX-Analysen auf das Vorhandensein von Nickel und Chrom untersucht. Die Ergebnisse sind in 3 dargestellt und zeigen, dass weder Nickel noch Chrom in der Washcoatschicht, d. h. der katalytisch aktiven Schicht, aufgefunden wurden. Die dünne Schicht auf Basis von Aluminiumsilikat unterdrückte daher die Wanderung von Nickel und Chrom von dem Metallsubstrat in die katalytisch aktive Washcoatschicht.The coating was examined for the presence of nickel and chromium by SEM and EDX analyzes. The results are in 3 and show that neither nickel nor chromium was found in the washcoat layer, ie the catalytically active layer. The thin layer based on aluminum silicate therefore suppressed the migration of nickel and chromium from the metal substrate into the catalytically active washcoat layer.

In 2 ist im Vergleich dazu zu sehen, dass ein streifenförmiger Inconel625-Metallschaumkörper ohne eine derartige Zwischenschicht zwischen dem Metallsubstrat und dem auf Aluminiumoxid basierenden Washcoat nach Alterung deutliche Signale für Nickel (Signal bei ca. 7.5 keV) und Chrom (Signal bei ca. 5.45 keV) im EDX-Spektrum aufweist.In 2 In comparison, it can be seen that a strip-shaped Inconel625 metal foam body without such an intermediate layer between the metal substrate and the alumina-based washcoat after aging shows clear signals for nickel (signal at about 7.5 keV) and chromium (signal at about 5.45 keV). in the EDX spectrum.

1 zeigt das EDX-Spektrum des vorstehend beschriebenen Inconel625 Metallschaumkörpers ohne Zwischenschicht vor Alterung. Es wurden keine Chrom- und Nickelsignale beobachtet. 1 shows the EDX spectrum of the previously described Inconel625 metal foam body without intermediate layer before aging. No chromium and nickel signals were observed.

Ausführungsbeispiel 2Embodiment 2

Ausführungsbeispiel 2 wurde wie Ausführungsbeispiel 1 erhalten, nur dass anstelle des ceramic coating grade HE auf der Basis von Aluminiumsilikat ein ceramic coating grade LE auf der Basis von mit CaO stabilisierten Zirkonoxid verwendet wurde. Die Kalzinierung und die Alterung des beschichteten Metallschaumkörpers erfolgte wie in Ausführungsbeispiel 1. Das ceramic coating grade LE, ebenfalls vom Büro für Angewandte Mineralogie, Dr. S. Rudolph in Tönisvorst, enthielt 72% mit CaO stabilisiertes Zirkoniumdioxid sowie 28% Alkalisilikat als Binder.embodiment 2 was obtained as Embodiment 1 except that instead of the ceramic coating grade HE based on aluminum silicate a ceramic coating grade LE based on CaO stabilized Zirconia was used. Calcination and aging of the coated metal foam body was carried out as in the embodiment 1. The ceramic coating grade LE, also from the office for Applied Mineralogy, Dr. Ing. S. Rudolph in Tönisvorst 72% CaO stabilized zirconia and 28% alkali silicate as a binder.

Die EDX-Analyse gemäß 4 ergab, dass weder Nickel noch Chrom in der gealterten Washcoatschicht nachgewiesen werden konnte.The EDX analysis according to 4 revealed that neither nickel nor chromium could be detected in the aged washcoat layer.

Zusammengefasst wies im Gegensatz zu den mit der Schutzschicht versehenen Metallschaumkörpern der unbehandelte Metallschaumkörper nach Alterung ein deutliches Signal von Chrom und etwas Nickel in der Washcoatschicht auf. Die erfindungsgemäße Schutzschicht vermag also die Wanderung von Metallkationen aus dem metallischen Katalysatorträger zu unterbinden.Summarized showed in contrast to the provided with the protective layer metal foam bodies the untreated metal foam body after aging a clear Signal from chrome and some nickel in the washcoat layer. The The protective layer according to the invention is thus able to migrate of metal cations from the metallic catalyst carrier to prevent.

Die in den Ausführungsbeispielen 1 und 2 erhaltenen Schäume wurden nach ihrer Metallisierung bei 800°C für 48 Stunden gealtert und anschließend wurde eine katalytische Reaktion durchgeführt und die Umsetzung von CO und Kohlenwasserstoffen und NO hin zu den Oxidationsprodukten verfolgt.The in the embodiments 1 and 2 obtained foams were after their metallization at 800 ° C for Aged 48 hours and then became a catalytic Reaction and the implementation of CO and hydrocarbons and NO followed to the oxidation products.

Ein Rückgang der katalytischen Aktivität der beschichteten Substrate von mehr als 5% bezogen auf die Aktivität vor Alterung wurde im Gegensatz zu Katalysatoren, die keine erste „Schutzschicht" aufwiesen, nicht beobachtet.One Decrease in the catalytic activity of the coated Substrate of more than 5% based on the activity before Aging was unlike catalysts that do not have a first "protective layer" show, not observed.

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Claims (12)

Katalysator umfassend i) ein metallisches Substrat, das eine innere Oberfläche aufweist; ii) eine erste Schicht, die zumindest bereichsweise sowohl auf der äußeren und/oder der inneren Oberfläche des Substrats angeordnet ist, enthaltend ein Silikat, Phosphat oder ein Oxid der frühen Übergangsmetalle; iii) eine zweite Schicht, die katalytisch aktiv ist, und die zumindest bereichsweise die erste Schicht bedeckt.Catalyst comprising i) a metallic one Substrate having an inner surface; ii) a first layer, at least partially, both on the outer and / or the inner surface of the substrate containing a silicate, phosphate or an early transition metal oxide; iii) a second layer that is catalytically active, and that at least partially covered the first layer. Katalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Oxid der frühen Übergangsmetalle TiO2 oder ZrO2 ist.Catalyst according to claim 1, characterized in that the oxide of the early transition metals is TiO 2 or ZrO 2 . Katalysator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das TiO2 und/oder das ZrO2 zusätzlich mit zweiwertigen Metallkationen dotiert sind.Catalyst according to claim 2, characterized in that the TiO 2 and / or ZrO 2 are additionally doped with divalent metal cations. Katalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Silikat und/oder Phosphat ein Silikat und/oder Phosphat des Aluminiums und/oder des Magnesiums ist.Catalyst according to claim 1, characterized in that that the silicate and / or phosphate is a silicate and / or phosphate of aluminum and / or magnesium. Katalysator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Silikat- und/oder Phosphatanion zumindest partiell durch andere Anionen ersetzt ist.Catalyst according to claim 4, characterized in that that the silicate and / or phosphate anion at least partially by other anions is replaced. Katalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat porös ist oder von Kanälen zumindest bereichsweise vollständig durchzogen ist.Catalyst according to one of the preceding claims, characterized in that the substrate is porous or of channels at least partially completely is traversed. Katalysator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der ersten Schicht < 500 μm beträgt.Catalyst according to claim 6, characterized in that the thickness of the first layer is <500 μm is. Katalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch aktive Schicht Metalloxide enthält, die ausgewählt sind aus Al2O3, CeO2, La2O3, ZnO, ZrO2, SnO2, Y2O3, WO3, TiO2.Catalyst according to one of the preceding claims, characterized in that the catalytically active layer contains metal oxides which are selected from Al 2 O 3 , CeO 2 , La 2 O 3 , ZnO, ZrO 2 , SnO 2 , Y 2 O 3 , WO 3 , TiO 2 . Katalysator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch aktive Schicht zumindest ein weiteres katalytisch aktives Metall enthält, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Wolfram, Eisen, Vanadium, Platin, Silber, Gold, Palladium, Ruthenium und Rhodium.Catalyst according to claim 8, characterized in that that the catalytically active layer at least one further catalytic contains active metal selected from the group consisting of tungsten, iron, vanadium, platinum, silver, gold, palladium, Ruthenium and rhodium. Katalysator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der katalytisch aktiven Schicht < 500 μm beträgt.Catalyst according to claim 9, characterized in that the layer thickness of the catalytically active layer is <500 μm is. Verwendung eines Katalysators nach einem der Ansprüche 1 bis 10, zur Oxidation von Kohlenwasserstoffen.Use of a catalyst according to one of the claims 1 to 10, for the oxidation of hydrocarbons. Verwendung eines Katalysators nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Oxidation von Kohlenmonoxid und von kohlenstoffhaltigen Partikeln.Use of a catalyst according to one of the claims 1 to 10 for the oxidation of carbon monoxide and carbonaceous Particles.
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