DE102007043531A1 - New catalyst material comprising silver useful for the treatment of combustion exhausts gases, for catalytic conversion of carbon containing particle, and in the exhaust gas after treatment device - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Katalysatormaterial, eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung sowie auf ein Verfahren zu deren Herstellung nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.The The present invention relates to a catalyst material, an exhaust aftertreatment device and a method to their preparation according to the preamble of the independent Claims.
Stand der TechnikState of the art
Für die Nachbehandlung von Verbrennungsabgasen, welche beispielsweise bei industriellen Prozessen bzw. bei der motorischen Verbrennung von z. B. fossilen Brennstoffen entstehen, werden Katalysatoren eingesetzt. Diese dienen der Eliminierung partikelförmiger als auch gasförmiger oder flüssiger Bestandteile der Verbrennungsabgase.For the post-treatment of combustion exhaust gases, which, for example in industrial processes or in engine combustion from Z. B. arise fossil fuels, catalysts are used. These serve to eliminate particulate as well gaseous or liquid components of the combustion gases.
Darüber hinaus kommen bspw. bei der Nachbehandlung von Abgasen, welche bei einer Verbrennung von Dieselkraftstoff entstehen, sogenannte Dieselpartikelfilter zum Einsatz. Mit einem Dieselpartikelfilter werden insbesondere Rußpartikel aus dem Abgasstrom herausgefiltert. Weist der Dieselpartikelfilter katalytisch aktive Komponenten auf, so können zumindest in einer Regenerationsphase des Dieselpartikelfilters abgetrennte Rußpartikel oxidiert und ggf. unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) und Kohlenmonoxid (CO) mit Sauerstoff umgesetzt werden. Im Idealfall werden die genannten Abgasinhaltsstoffe zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert.About that In addition, for example, in the treatment of exhaust gases, which at A combustion of diesel fuel, so-called diesel particulate filter for use. In particular, with a diesel particulate filter Soot particles filtered out of the exhaust stream. Does the Diesel particulate filter on catalytically active components, so can at least in a regeneration phase of the diesel particulate filter separated soot particles oxidized and possibly unburned Hydrocarbons (HC) and carbon monoxide (CO) reacted with oxygen become. Ideally, the abovementioned exhaust gas ingredients become too Carbon dioxide and water oxidizes.
Insbesondere
für einen vollständigen Abbau von Rußpartikeln
sind spezifische Anforderungen an eine entsprechende katalytisch
aktive Komponente des Abgaspartikelfilters zu stellen. Beispielsweise
werden katalytisch aktive Metalle wie u. a. Platin, Palladium, Vanadium
oder Eisen eingesetzt, die insbesondere der Herabsetzung der sogenannten
Rußabbrandtemperatur dienen. Eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung,
die eine derartige katalytische Beschichtung aufweist, ist beispielsweise
aus der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Aufgabe und Vorteile der ErfindungPurpose and advantages of the invention
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Katalysatormaterial und eine Vorrichtung dieses enthaltend zur Nachbehandlung von Verbrennungsabgasen bereit zu stellen, mit welchem die katalytische Umsetzung insbesondere von kohlenstoffhaltigen Partikeln verbessert werden kann.task The invention is a catalyst material and a device containing this ready for the aftertreatment of combustion exhaust gases to ask, with which the catalytic reaction in particular of carbonaceous particles can be improved.
Diese Aufgabe wird durch ein Katalysatormaterial bzw. eine Vorrichtung dieses enthaltend mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche in vorteilhafter Weise gelöst.These Task is by a catalyst material or a device containing it with the characterizing features of the independent ones Claims solved in an advantageous manner.
Dies beruht insbesondere darauf, dass das Katalysatormaterial Silber als Bestandteil umfasst. Ein nennenswerter Gehalt an Silber im Katalysatormaterial führt zu einer im Vergleich zu anderen Katalysatormaterialzusammensetzungen signifikanten Absenkung derjenigen Temperatur, bei der Ruß oder kohlenstoffhaltige Partikel in nennenswertem Umfang thermisch zu Kohlendioxid bzw. -monoxid umgesetzt werden können. Insbesondere das Kaltstartverhalten von Dieselpartikelfiltern wird dadurch verbessert, sodass sich auf diesem Wege eine effektive Maßnahme zur Erfüllung von gesetzlichen Umweltschutzvorgaben bereitstellen lässt z. B. zur Reduzierung der Feinstaubbelastung durch Pkw-Abgase.This is based in particular on the fact that the catalyst material is silver as a component. An appreciable content of silver in the catalyst material results in a comparison with other catalyst material compositions significant lowering of the temperature at which soot or carbonaceous particles to a significant extent thermally too Carbon dioxide or monoxide can be implemented. Especially the cold start behavior of diesel particulate filters is thereby improved, so that in this way an effective measure for Provide fulfillment of statutory environmental protection requirements lets z. B. to reduce the particulate pollution by Car exhaust fumes.
Neben der Absenkung der Rußabbrandtemperatur wird mit dem vorgeschlagenen Katalysatormaterial zudem erreicht, dass die mit dem Rußabbrand zeitweilig verbundenen Temperaturspitzen vergleichsweise niedrig ausfallen und abgedämpft werden können. Damit kann das Trägermaterial, auf dem das Katalysatormaterial aufgebracht ist, vor hitzebedingten Beschädigungen durch Rußabbrand geschützt werden.Next the lowering of Rußabbrandtemperatur is with the proposed Catalyst material also achieved that with the Rußabbrand temporarily connected temperature peaks comparatively low fail and can be damped. In order to may be the carrier material on which the catalyst material is applied, from heat-related damage Rußabbrand be protected.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further advantageous embodiments of the present device emerge from the dependent claims.
So ist es von Vorteil, wenn das Katalysatormaterial neben Silber wenigstens einen weiteren Katalysatorbestandteil wie vorzugsweise Cer aufweist, da auf diese Weise die katalytische Umsetzung von kohlenstoffhaltigen Partikeln besonders effektiv realisiert werden kann und eine katalytisch effektive Abbauwirkung z. B. auch für nichtpartikuläre Verbrennungsprodukte wie beispielsweise unverbrannte Kohlenwasserstoffe oder Kohlenmonoxid erreicht werden kann.So it is advantageous if the catalyst material in addition to silver at least another catalyst component such as preferably cerium, because in this way the catalytic conversion of carbonaceous Particles can be realized particularly effectively and a catalytic effective degradation effect z. B. also for non-particulate Combustion products such as unburned hydrocarbons or carbon monoxide can be achieved.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Katalysatormaterial die Zusammensetzung Ag(45-65)Ce(35-55) auf, da Katalysatormaterialien der genannten Zusammensetzung eine vergleichsweise deutliche Absenkung der Abbrandtemperatur von kohlenstoffhaltigen Partikeln zeigen.In a particularly preferred embodiment of the present invention, the catalyst material composition Ag (45-65) Ce (35-55) , since catalyst materials of said composition show a relatively significant reduction in the burning temperature of carbonaceous particles.
Figurenbeschreibungfigure description
Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten einzigen Figur näher erläutert. Dabei zeigtThe Invention is based on the single shown in the drawing Figure explained in more detail. It shows
Die Erfindung geht aus von einem Katalysatormaterial zur Behandlung von Verbrennungsabgasen, die gasförmige, flüssige und/oder feste Schadstoffbestandteile enthalten. Dabei ist das Katalysatormaterial insbesondere für eine thermische Umsetzung kohlenstoffhaltiger Partikel bei vergleichsweise niedrigen Umgebungstemperaturen bezogen auf reguläre Abgastemperaturen ausgebildet. Das Katalysatormaterial ist vorzugsweise auf einem keramischen Träger wie bspw. Partikeln oder Fasern aus Aluminiumoxid, Siliciumcarbid, Titandioxid oder Cordierit aufgebracht oder auf einem metallischen Träger, der bspw. aus einem Sintermetall ausgeführt ist. Das Katalysatormaterial enthält Silber als Bestandteil. Zusätzlich kann mindestens eine weitere katalytisch aktive Komponente vorgesehen sein, wie insbesondere Cer. Dabei enthält das Katalysatormaterial Silber zu mehr als 5 und weniger als 90 Mol-%, vorzugsweise zu mehr als 30 und weniger als 80 Mol-% und insbesondere zu mehr als 40 und weniger als 70 Mol-%, bezogen auf die Gesamtmenge an katalytisch aktiven Komponenten im Katalysatormaterial. Unter Katalysatorbestandteilen sind im Sinne der Erfindung neben Silber grundsätzlich insbesondere die Bestandteile des Katalysatormaterials zu verstehen, die in Bezug auf den Abbau von Verbrennungsprodukten katalytisch wirksam sind und insbesondere die thermische Umsetzung von Abgasbestandteilen katalysieren. Dies sind im Regelfall nicht die als Trägermaterialien bzw. als Füll- oder Stützmaterialien in der katalytischen Schicht verwendeten Substanzen, die keine bzw. nahezu keine katalytische Funktion haben.The The invention is based on a catalyst material for treatment of combustion gases, the gaseous, liquid and / or solid pollutants. In this case, the catalyst material in particular for a thermal conversion of carbonaceous Particles at relatively low ambient temperatures trained on regular exhaust gas temperatures. The catalyst material is preferably on a ceramic support such as. Particles or fibers of alumina, silicon carbide, titanium dioxide or cordierite applied or on a metallic support, the example. Is made of a sintered metal. The catalyst material contains silver as an ingredient. In addition, can provided at least one further catalytically active component be, in particular Cer. The catalyst material contains silver to more than 5 and less than 90 mol%, preferably more than 30 and less than 80 mol% and especially more than 40 and less than 70 mole%, based on the total amount of catalytic active components in the catalyst material. Under catalyst components are in the meaning of the invention in addition to silver in principle in particular to understand the constituents of the catalyst material, which catalytically with respect to the degradation of combustion products are effective and in particular the thermal conversion of exhaust components catalyze. These are usually not as support materials or as filling or supporting materials in the catalytic Layer used substances that no or almost no catalytic Have function.
Regelmäßig wird Silber im fertig gestellten Zustand des Katalysatormaterials als Oxid vorliegen, es ist jedoch auch denkbar, dass Silber bzw. weitere katalytisch aktive Komponenten des Katalysatormaterials in elementarer Form oder als Legierungen, Mischoxide oder in Form von Komplexverbindungen vorliegen.Regularly Silver is in the finished state of the catalyst material exist as an oxide, but it is also conceivable that silver or further catalytically active components of the catalyst material in elemental form or as alloys, mixed oxides or in the form of complex compounds.
Vorzugsweise ist das Katalysatormaterial als binäre Verbindung ausgebildet, die neben Silber mit einem Anteil von mehr als 5 und weniger als 90 Mol-% als weitere katalytisch aktive Komponente Cer enthält.Preferably is the catalyst material formed as a binary compound, the next silver with a share of more than 5 and less than Contains 90 mol% as further catalytically active component cerium.
Zur Überprüfung der katalytischen Funktion entsprechender Silber und Cer enthaltender Katalysatormaterialien wurde die thermische Umsetzung von Ruß für Katalysatormaterialien unterschiedlicher Zusammensetzungen experimentell überprüft. Dazu wurden Vergleichsversuche auf Grundlage einer Differential-Thermo-Analyse (DTA) durchgeführt, wobei die jeweiligen Katalysatormaterialien mit Ruß in einem Verhältnis von 1 zu 4 vermischt und synthetischer Luft mit einem Anteil von 20 Vol.% Sauerstoff und 80 Vol.% Stickstoff ausgesetzt wurden. Dabei wurde ausgehend von Raumtemperatur bis auf eine Temperatur von ca. 700°C aufgeheizt. Die Aufheizrate betrug 10 Kelvin pro Minute; der Volumenstrom an synthetischer Luft wurde auf ca. 100 Milliliter pro Minute eingestellt.For checking the catalytic function of corresponding silver and cerium containing Catalyst materials was the thermal conversion of carbon black for Catalyst materials of different compositions experimentally checked. These were comparative experiments based on a differential thermal analysis (DTA), wherein the respective catalyst materials mixed with carbon black in a ratio of 1: 4 and synthetic air containing 20% by volume of oxygen and 80 vol.% of nitrogen were exposed. It was starting heated from room temperature to a temperature of about 700 ° C. The heating rate was 10 Kelvin per minute; the volume flow Synthetic air was adjusted to about 100 milliliters per minute.
Zur
Beurteilung der katalytischen Wirkung der unterschiedlichen Katalysatorbestandteile
wird neben dem gesamten Kurvenverlauf bis zum vollständigen
Abbrand des Rußes insbesondere diejenige Temperatur ermittelt,
bei der ein Masseverlust des Rußes gegenüber der
Ausgangsrußmenge von 50% festzustellen ist. Die nachfolgend
aufgeführte Tabelle 1 zeigt die dabei gemessenen Temperaturen
T50 in °C für reinen Ruß bzw. die
einzelnen untersuchten Mischungen von Ruß mit unterschiedlichen,
silber- und cerhaltigen Katalysatormaterialien. Als Referenz wurde
eine Probe vermessen, die Ruß ohne katalytisch aktive Zusätze
enthält. Tabelle 1
Es ist erkennbar, dass binäre, Silber und Cer enthaltende Katalysatormaterialien in allen gemäß obiger Tabelle experimentell erfassten Mischungsverhältnissen zu einer merklichen Absenkung der jeweiligen Rußoxidationstemperatur führen. Dies gilt jedoch insbesondere für Katalysatormaterialien, die Silber mit einem Anteil von mehr als 5 und weniger als 90 Mol-% enthalten und Cer mit einem Anteil von 10 bis 95 Mol-% und in besonderem Maße für Katalysatormaterialien, die Silber zu mehr als 30 und weniger als 80 Mol-% und insbesondere zu mehr als 40 Mol-% und weniger als 70 Mol-% enthalten.It is recognizable that containing binary, silver and cerium Catalyst materials in all according to the above table experimentally recorded mixing ratios to a noticeable reduction of the respective soot oxidation temperature to lead. However, this applies in particular to catalyst materials, the silver in a proportion of more than 5 and less than 90 mol% and cerium in a proportion of 10 to 95 mol% and in particular Measures for catalyst materials containing silver too more than 30 and less than 80 mol% and especially more than 40 mole% and less than 70 mole%.
Nachfolgend
sind in Tabelle 2 die ermittelten Temperaturen T50 in °C
für reinen Ruß bzw. für die einzelnen
untersuchten Mischungen von Ruß mit den genannten unterschiedlichen
Katalysatormaterialien aufgeführt. Tabelle 2
Gemäß eines weiteren wesentlichen Aspekts der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Katalysatormaterials auf einem Träger vorgeschlagen, insbesondere für eines der oben aufgeführten Katalysatormaterialien, welches sich dadurch auszeichnet, dass ein Sol-Gel-Prozess zur Ausbildung der Katalysatorbestandteile auf dem Träger zum Einsatz kommt. Mit einem sogenannten Sol-Gel-Prozess können insbesondere metallische Materialien z. B. in Form von Komplexverbindungen homogen auf einer Oberflächenstruktur verteilt werden. Auch eine Dotierung keramischer Materialien mit katalytisch aktiven Komponenten kann auf diese Weise erreicht werden. So können beispielsweise durch thermolytische Zersetzung von Metallkomplexen oder durch Behandlung derselben in einem Sauerstoffplasma hochdisperse Metalloxid- oder Metallpartikel erzeugt werden, die unter anderem als heterogene Katalysatormaterialien eingesetzt werden können. Sie zeichnen sich durch sehr kleine, homogen verteilte und nicht agglomerierte Partikel, eine enge Partikelgrößenverteilung und einen sehr variablen Beladungsgrad aus.According to a further essential aspect of the invention, a method for producing a Catalyst material proposed on a support, in particular for one of the catalyst materials listed above, which is characterized in that a sol-gel process for forming the catalyst components is used on the support. With a so-called sol-gel process, in particular metallic materials z. B. in the form of complex compounds are homogeneously distributed on a surface structure. A doping of ceramic materials with catalytically active components can also be achieved in this way. Thus, for example, by thermolytic decomposition of metal complexes or by treating them in an oxygen plasma fumed metal oxide or metal particles can be produced, which can be used inter alia as heterogeneous catalyst materials. They are characterized by very small, homogeneously distributed and non-agglomerated particles, a narrow particle size distribution and a very variable degree of loading.
Als Komplexverbindungen eignen sich insbesondere lösliche metallorganische Verbindungen wie Metallalkoxide, -alkoholate bzw. -propionate, welche beispielsweise durch einen Kondensationsschritt unter Wasser- oder Alkoholabspaltung ein Gel bilden. Wird eine alkoholische Lösung hydrolysierbarer Alkoholate mehrwertiger Metallionen auf eine Oberfläche aufgetragen, so bildet sich in Gegenwart von Feuchtigkeit bereits während des Verdunstens des Lösungsmittels bei Raumtemperatur ein Metallhydroxid-Netzwerk aus. Dieses ist hydrophil und antistatisch. Bei Erhöhung der Temperatur auf bspw. 400 bis ca. 800°C reagieren die Metallhydroxide unter Wasserabspaltung zu Metalloxiden und die beschichtete Oberfläche wird mechanisch sehr stabil. Ein Vorteil des Sol-Gel-Prozesses besteht darin, dass sich z. B. gute keramische bzw. metalloxidische Überzüge erzeugen lassen, mit denen man zum Beispiel keramische Fasern, Partikel bzw. keramische Träger beschichten kann.When Complex compounds are particularly suitable soluble organometallic Compounds such as metal alkoxides, alcoholates or propionates, which for example, by a condensation step under water or Alcohol elimination to form a gel. Becomes an alcoholic solution hydrolyzable alcoholates of polyvalent metal ions on a surface applied, so it forms in the presence of moisture already during the evaporation of the solvent at room temperature Metal hydroxide network out. This is hydrophilic and antistatic. When increasing the temperature to, for example, 400 to about 800 ° C. The metal hydroxides react with dehydration to metal oxides and the coated surface becomes very stable mechanically. An advantage of the sol-gel process is that z. B. good ceramic or metal oxide coatings can produce, for example, with ceramic fibers, particles or ceramic carrier can coat.
In einem alternativen Verfahren kann eine Darstellung ausgehend von einer Metallsalzlösung entsprechender Metallnitrate, -acetate, -citrate oder -carbonate erfolgen. Die Lösungen werden eingedampft und anschließend bei Temperaturen von ca. 400 bis ca. 800°C kalziniert, wobei die entsprechenden Anionen thermisch zersetzt und die entsprechenden Metalloxide gebildet werden.In an alternative method, a representation based on a metal salt solution of corresponding metal nitrates, acetates, citrates or carbonates take place. The solutions will be evaporated and then at temperatures of about 400 calcined to about 800 ° C, with the corresponding anions thermally decomposed and the corresponding metal oxides are formed.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- - DE 19630250 C1 [0004] - DE 19630250 C1 [0004]
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|---|---|---|---|---|
| DE19630250C1 (en) | 1996-07-26 | 1997-08-28 | Krupp Vdm Gmbh | Metal alloy catalyst for the total oxidation carbon mon:oxide, soot and/or hydrocarbon |
-
2007
- 2007-09-12 DE DE200710043531 patent/DE102007043531A1/en not_active Withdrawn
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