DE102011018259A1

DE102011018259A1 - Verfahren zur Beschichtung eines Substrates

Info

Publication number: DE102011018259A1
Application number: DE102011018259A
Authority: DE
Inventors: Sascha Podehl; Markus Kerzel; Ulrich Meyer; Ingo Stender
Original assignee: Sued Chemie AG
Current assignee: Clariant Produkte Deutschland GmbH
Priority date: 2011-04-20
Filing date: 2011-04-20
Publication date: 2012-10-25

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrats angegeben, umfassend Bereitstellen eines Substrats mit einer ersten und einer zweiten Endfläche und mit einer Mehrzahl von Strömungskanälen, die das Substrat von der ersten Endfläche bis zur zweiten Endfläche durchziehen; Anordnen des Substrats derart, dass die Strömungskanäle in einem Neigungs-Winkel zur Vertikalen ausgerichtet sind; und Einbringen einer Suspension und/oder Lösung in die Strömungskanäle ausgehend von der ersten Endfläche. Ferner werden ein Katalysator und eine Verwendung des Katalysators angegeben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrats, insbesondere eines Katalysator-Formkörpers, einen Katalysator und eine Verwendung des Katalysators.
Im Stand der Technik sind Wabenkörper sowie deren Einsatz als Katalysatortrager bekannt, die aus Keramik, beispielsweise Cordierit, oder Metall, beispielsweise einer FeCr-Legierung, bestehen. Keramische Wabenkörper werden beispielsweise aus einer keramischen Masse extrudiert, wobei die Extrusion so durchgeführt werden kann, dass geradlinige axial verlaufende Kanale entstehen. Metallische Wabenkörper werden in der Regel durch das Aufwickeln von Metallfolien hergestellt, wobei eine gewellte und eine glatte Folie zusammen aufgewickelt werden. Auch hier können geradlinige axial verlaufende Kanäle entstehen.
In bekannten Verfahren zum Beschichten von Substraten mit Suspensionen werden die Substrate, wie zum Beispiel wabenförmige Katalysatorträger, senkrecht oder vertikal, d. h. parallel zur Vertikalen, ausgerichtet. Damit soll eine möglichst homogene Beschichtung, insbesondere quer zu den Strömungskanälen erreicht werden. Dies gilt für Verfahren, in denen das Substrat in einem Schritt komplett beschichtet wird, wie auch für Verfahren, in denen pro Verfahrensschritt eine Teilbeschichtung auf das Substrat aufgebracht wird.
US 3,873,350 beschreibt das Beschichten eines wabenförmigen Substrats mit einer Aufschlämmung, wobei die Achsen der Honigwabenzellen im Wesentlichen vertikal ausgerichtet sind. Dabei befinden sich die oberen Enden der Zellen oberhalb der oberen Oberfläche der Aufschlämmung, bis eingeschlossene Luft aus den Zellen ausgetreten ist.
DE 40 40 150 A1 beschreibt ein Verfahren zum Belegen von Keramikwabenkörpern mit feinteiligen Feststoffen, bei denen die Wabenkörper in einer vertikalen Tauchkammer angeordnet werden. In die Tauchkammer wird von unten eine Dispersion der feinteiligen Feststoffe eingepumpt.
EP 0 428 990 A1 beschreibt das Einbringen einer Flüssigkeit in eine Honigwabenstruktur, die vertikal angeordnet ist.
DE 100 14 547 A1 befasst sich mit einem Verfahren zum teilweisen Beschichten eines Tragkörpers, wobei die Zylinderachse des Tragkörpers für die Beschichtung vertikal ausgerichtet wird. Eine Füllmenge einer Beschichtungssuspension wird in Kanäle des Tragkörpers durch die untere Stirnfläche desselben nur bis zu einer Höhe, die einen Bruchteil der Länge des Tragkörpers ausmacht, eingebracht.
DE 10 2004 040 551 A1 ist gerichtet auf ein Verfahren zum Beschichten eines Wandrußfilters mit einer Beschichtungszusammensetzung, wobei Strömungskanäle des Wandrußfilters senkrecht ausgerichtet werden.
DE 10 2004 051 099 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Beschichten einer Serie von Tragkörpern, die dabei senkrecht angeordnet sind und in die eine Beschichtungssuspension von unten eingepumpt wird.
US 2001/0024686 A1 befasst sich mit einem Verfahren zum teilweisen Beschichten eines zylindrischen Trägerkorpers, der von Kanälen durchzogen ist, wobei der Trägerkörper vertikal ausgerichtet wird und eine Suspension in die Kanäle von unten eingeleitet wird. Der Trägerkörper wird nur bis zu einer Höhe mit der Suspension befüllt, die kleiner ist als die Länge des Trägerkörpers.
Durch einen Beschichtungsprozess, der an einem vertikal ausgerichteten Wabenkörper ausgeführt wird, entsteht jedoch in den Kanälen des Wabenkörpers ein relativ hoher Konzentrationsgradient in der aufgebrachten Schicht parallel zu den Kanälen. Dies ist bedingt durch das Nachlaufen der aufgebrachten Suspension und/oder Lösung in Richtung der Schwerkraft, denn dadurch sammelt sich die Suspension bzw. Lösung im Bereich der jeweiligen Kanäle, der während des Beschichtungsprozesses unten angeordnet ist. Bei der Beschichtung von Katalysator-Formkörpern mit einer Suspension und/oder Lösung eines katalytischen aktiven Materials bedeutet dies, dass ein Gradient des katalytisch aktiven Materials entlang der Strömungskanäle des Katalysator-Formkörpers entsteht, was Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit des späteren Katalysators haben kann.
Ferner ist es schwierig, senkrecht zu den Strömungskanälen eines Wabenkörpers eine homogene Beschichtung der Strömungskanäle mit einer Suspension und/oder Lösung zu realisieren. Dies gilt insbesondere bei Anwendungen, bei denen mehrere Schichten aufgebracht werden sollen, die nicht über die gesamte Länge des Wabenkörpers reichen. Dies kann nämlich zu einer Doppelbeschichtung an unerwünschten Stellen oder zu unerwünscht unbeschichteten Stellen führen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein von Strömungskanälen durchgezogenes Substrat oder einen von Strömungskanälen durchgezogenen Katalysator-Formkörper innerhalb der Strömungskanäle homogen zu beschichten. Ferner soll ein in den Strömungskanälen homogen beschichteter Katalysator bereitgestellt werden.
Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrats, insbesondere eines Katalysator-Formkörpers, umfassend Bereitstellen eines Substrats mit einer ersten und einer zweiten Endfläche und mit einer Mehrzahl von Strömungskanälen, die das Substrat von der ersten Endfläche bis zur zweiten Endfläche durchziehen; Anordnen des Substrats derart, dass die Strömungskanäle in einem Neigungs-Winkel zur Vertikalen ausgerichtet sind; und Einbringen einer Suspension und/oder einer Lösung in die Strömungskanäle ausgehend von der ersten Endfläche.
In einer weiteren Ausführungsform ist ein Katalysator angegeben, der durch das vorstehende Verfahren erhältlich oder erhalten ist.
Ein Katalysator gemäß einer Ausführungsform umfasst einen Katalysator-Formkörper mit einer ersten und einer zweiten Endfläche und mit einer Mehrzahl von Strömungskanälen, die den Katalysator-Formkörper von der ersten Endfläche bis zur zweiten Endfläche durchziehen, wobei die Strömungskanäle mit einer katalytisch aktiven Komponente oder einem Vorläufer der katalytisch aktiven Komponente von der ersten Endfläche bis zur zweiten Endfläche oder bis zu einer Beschichtungsgrenze (50), die zwischen der ersten und der zweiten Endfläche angeordnet ist, homogen beschichtet sind.
Eine andere Ausführungsform betrifft die Verwendung der vorstehenden Katalysatoren zur Abgasreinigung.
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen, den Figuren, den Beispielen und den Unteransprüchen.
Ausführungsformen der Erfindung ermöglichen eine homogene Beschichtung von Strömungskanälen eines Katalysator-Formkörpers durch Ausrichten der Strömungskanäle in einem Neigungs-Winkel zur Vertikalen, um eine Beschichtungssuspension oder -lösung in die Strömungskanäle einzubringen. Ist der Katalysator-Formkörper während des Einbringens der Suspension oder Lösung nicht vertikal ausgerichtet, wird das Nachlaufen der Suspension oder Lösung in Richtung der Schwerkraft in den unteren Bereich der Kanäle vermindert oder sogar vermieden. So entsteht eine homogenere Beschichtung innerhalb der Strömungskanäle als bei einer Beschichtung von Strömungskanälen, die vertikal ausgerichtet sind.
Alle hier beschriebenen und sich nicht gegenseitig ausschließenden Merkmale von Ausführungsformen und Beispielen können miteinander kombiniert werden. Gleiche Elemente der Ausführungsformen sind in der folgenden Beschreibung mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Elemente einer Ausführungsform können in den anderen Ausführungsformen genutzt werden ohne weitere Erwähnung. Ausführungsformen und Beispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand von Figuren genauer beschrieben, ohne sie dadurch einschränken zu wollen. Es zeigen:
1 schematisch einen Schritt eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform;
2 schematisch einen Schritt eines Verfahrens gemaß einer Ausführungsform;
3 schematisch einen Schritt eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform;
4 eine fotografische Abbildung eines Formkörpers gemäß Beispiel 1 (Vergleich);
5 eine fotografische Abbildung eines Formkörpers gemäß Beispiel 2 (Vergleich);
6 eine fotografische Abbildung eines Formkörpers gemäß Beispiel 3; und
7 ein Diagramm zum Vergleich der Beispiele 2 und 3.
Ausführungsformen und Beispiele der Erfindung werden hier anhand eines Katalysator-Formkörpers als Substrat und anhand einer Suspension, beispielsweise einer wässrigen sauren Aluminiumoxid-Suspension, beschrieben, ohne die Erfindung darauf zu begrenzen. Die Begriffe senkrecht oder vertikal bedeuten in dieser Beschreibung parallel zur Vertikalen, auch Lotrechte zur Erdoberfläche genannt. Der Begriff horizontal oder Horizontale wird hier als senkrecht bzw. Senkrechte zur Vertikalen verstanden. Ferner wird der Begriff Konzentrationsgefalle hier auch Konzentrationsgradient oder Gradient genannt, wobei der Konzentrationsgradient oder Gradient eine abgestufte Änderung der Konzentration beinhalten kann. Zudem werden in Ausführungsformen der Erfindung die Begriffe Katalysator-Formkörper und Formkörper synonym verwendet und können auch Katalysator-Trager genannt werden. Im Folgenden wird auch ein zylindrischer, wabenförmiger Katalysator-Formkörper beschrieben, ohne die Erfindung darauf zu begrenzen.
Eine Ausführungsform betrifft, wie oben erläutert, ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrats, insbesondere eines Katalysator-Formkörpers, umfassend Bereitstellen eines Substrats mit einer ersten und einer zweiten Endfläche und mit einer Mehrzahl von Strömungskanälen, die das Substrat von der ersten Endfläche bis zur zweiten Endfläche durchziehen; Anordnen des Substrats derart, dass die Strömungskanäle in einem Neigungs-Winkel zur Vertikalen ausgerichtet sind; und Einbringen einer Suspension und/oder einer Lösung in die Strömungskanäle ausgehend von der ersten Endfläche. Die erste und zweite Endfläche können zueinander entgegengesetzt angeordnet sein.
Der Schritt des Anordnens des Substrats kann vor oder nach dem Schritt des Einbringens einer Suspension und/oder Lösung erfolgen. Eine Ausführungsform betrifft daher ein Verfahren, bei dem der Schritt des Anordnens des Substrats vor dem Schritt des Einbringens einer Suspension und/oder Lösung durchgeführt wird. Somit umfasst ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrats, insbesondere eines Katalysator-Formkörpers, a) Bereitstellen eines Substrats mit einer ersten und einer zweiten Endfläche und mit einer Mehrzahl von Strömungskanälen, die das Substrat von der ersten Endflache bis zur zweiten Endfläche durchziehen; b) Anordnen des Substrats derart, dass die Strömungskanäle in einem Neigungs-Winkel zur Vertikalen ausgerichtet sind; und c) Einbringen einer Suspension und/oder einer Lösung in die Strömungskanale ausgehend von der ersten Endfläche. Die erste und zweite Endfläche können zueinander entgegengesetzt angeordnet sein.
In Ausführungsformen kann entweder eine Suspension oder eine Lösung in das Substrat oder den Katalysator-Formkörper eingebracht werden. Ferner kann erst eine Suspension und dann eine Lösung in die Strömungskanäle in dieser Reihenfolge eingebracht werden. Die Reihenfolge des Einbringens der Suspension und der Lösung kann auch umgekehrt sein. Die Suspension und die Lösung können auch gleichzeitig eingebracht werden.
Die Strömungskanäle können im Substrat im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sein. Ferner kann ein Winkel von ungefähr 90° oder ein Winkel im Bereich von ungefähr 45° bis 90°, bevorzugt 70° bis 90°, als der Neigungs-Winkel eingestellt werden. Allgemein gilt, je größer die Abweichung von der Senkrechten, desto ausgeprägter ist der Effekt des Verfahrens.
In Beispielen des Verfahrens kann das Substrat ein Katalysator-Formkörper sein. Ferner kann die Suspension und/oder Lösung eine katalytisch aktive Komponente oder einen Vorläufer einer katalytisch aktiven Komponente enthalten. Beispielsweise ist die Suspension ein Washcoat, wie er bei der Erzeugung von Katalysatoren typischerweise eingesetzt wird. Die Suspension und/oder Lösung kann enthalten: eine katalytisch aktive Komponente, z. B. Edelmetalle, wie Platin, Palladium, Rhodium, Ruthenium, Iridium, Cobalt, Mangan, Wolfram, Gold, Silber, Rhenium oder deren Metallsalze oder Salzlösungen, oder einen Vorlaufer der katalytisch aktiven Komponente; verschiedene Formen von Zeolithen, z. B. Aluminiumoxid, Cer-Zirkon-Oxide, Titandioxid, Siliziumdioxid, zusätzlich deren kolloidale Systeme, Zeolithe; und/oder eine Flussigkeit, z. B. Wasser, Essigsäure, Salpetersäure, weitere Salzlosungen, weitere Zuschlagsstoffe für die rheologische Einstellung der Suspensionen oder Lösungen.
In Ausführungsformen des Verfahrens, beispielsweise zur Herstellung eines Katalysators, wird als Substrat ein Katalysator-Formkörper mit einer ersten und einer zweiten Endfläche und mit einer Mehrzahl von Strömungskanälen, die den Katalysator-Formkörper von der ersten Endfläche bis zur zweiten Endfläche durchziehen, bereitgestellt. Die erste und die zweite Endflache des Katalysator-Formkörpers können einander entgegengesetzt angeordnet sein. Der Katalysator-Formkörper kann eine zylindrische Form besitzen, wobei sich die Strömungskanäle im Wesentlichen parallel zur Zylinderachse erstrecken können. Der Katalysator-Formkörper wird derart angeordnet, dass die Strömungskanäle in einem Neigungswinkel zur Vertikalen ausgerichtet sind. Sodann wird eine Suspension und/oder Lösung, die eine katalytisch aktive Komponente oder einen Vorläufer der katalytisch aktiven Komponente enthalten kann, in die Strömungskanäle ausgehend von der ersten Endfläche eingebracht.
Beispielsweise kann der Katalysator-Formkörper in einer Tauchkammer angeordnet werden, wobei die Tauchkammer zusammen mit dem Katalysator-Formkörper in einen Neigungswinkel zur Vertikalen angeordnet sein kann, und die Suspension und/oder Losung kann in die Tauchkammer auf der Seite der Tauchkammer eingebracht werden, zu der die erste Endfläche des Katalysator-Formkörpers ausgerichtet ist.
In einer anderen Ausführungsform kann die erste Endfläche auf einem Halteelement derart fixiert und abgedichtet werden, dass die Suspension und/oder Lösung durch die erste Endfläche in den Katalysator-Formkörper eingebracht werden kann. Die zweite Endfläche des Katalysator-Formkörpers kann an einem Halteelement an der zweiten Endflache dicht fixiert sein, das einen Überlaufraum oder eine Ableitung für die Suspension und/oder Lösung enthält.
In Ausführungsformen kann der Katalysator-Formkörper, wie oben erwähnt, eine zylindrische Form haben. Ferner kann der Katalysator-Formkörper Strömungskanäle aufweisen, die längsorientiert sind und/oder parallel zur Zylinderachse des Formkörpers verlaufen. Der Katalysator-Formkörper kann zudem zwei Endflächen besitzen, wobei die Eintrittsöffnungen der Strömungskanäle in der einen Endfläche vorhanden sind und die Austrittsöffnungen der Strömungskanäle in der anderen Endfläche vorhanden sind. Die Strömungskanäle können einen runden oder einen mehreckigen Querschnitt aufweisen. Beispielsweise kann der Katalysator-Formkörper ein Wabenkörper sein, z. B. mit sechseckigem Querschnitt der Strömungskanäle.
In Ausführungsformen kann die katalytisch aktive Komponente ein oder mehrere Edelmetalle, z. B. Platin, Palladium, Rhodium, Ruthenium, Iridium, Cobalt, Mangan, Wolfram, Gold, Silber und/oder Rhenium umfassen.
In weiteren Ausführungsformen kann die Suspension und/oder Lösung über die zweite Endfläche hinaus in die Strömungskanäle eingebracht werden.
1 zeigt einen Katalysator-Formkörper 10 mit einer ersten Endfläche 12 und einer zweiten Endfläche 14, zwischen denen parallele Strömungskanäle 16 verlaufen. Die Kanäle 16 sind an der ersten und der zweiten Endfläche offen sowie durchgehend durchlässig. In der Ausführungsform des Verfahrens gemäß 1 ist der Katalysator-Formkörper 10 in einem ersten Halteelement 20 an der ersten Endfläche 12 derart fixiert, dass die Strömungskanäle durch das Haltelement 20 und die erste Endfläche 12 mit einer Suspension oder Lösung 40 befüllt werden können. Das Halteelement 22, in dem die zweite Endfläche 14 des Katalysator-Formkörpers 10 befestigt ist, besitzt einen Überlaufraum 24. Wie aus 1 ersichtlich ist, ist der Katalysator-Formkörper 10 in einem Neigungswinkel zur Vertikalen ausgerichtet. Die in den Katalysator-Formkörper eingebrachte Suspension oder Lösung 40 wird über die zweite Endfläche 14 des Katalysator-Formkörpers hinaus eingefüllt und ergibt einen Füllstand 26 innerhalb des Überlaufsraums 24. Auf diese Weise wird der Katalysator-Formkörper 10 vollständig mit der Suspension oder Lösung beschichtet, wobei durch die Neigung der Strömungskanäle in einem Winkel zur Vertikalen das unerwünschte Nachlaufen der Suspension bzw. Lösung in den unteren Bereich der Kanäle vermindert wird.
Das Einbringen der Suspension und/oder Lösung kann durch Pumpen der Suspension und/oder Lösung in die Strömungskanäle durchgeführt werden.
2 zeigt schematisch einen Schritt einer zweiten Ausführungsform, bei der die Beschichtung des Katalysator-Formkörpers 10 in der Horizontalen durchgeführt wird. Dies bedeutet, dass die Strömungskanäle des Formkörpers senkrecht zur Vertikalen ausgerichtet sind. Auch hier ist der Katalysator-Formkörper 10 zwischen zwei Halteelementen 20 und 22 derart fixiert, dass eine Suspension oder Lösung 40 durch die erste Endfläche 12 bis zur oder über die zweite Endfläche 14 hinaus in die Strömungskanäle 16 eingebracht werden kann. Hierzu ist das Halteelement 20 an einem Ende eines Behalters 30 vorgesehen, in dem mittels einer Pumpvorrichtung, in diesem Beispiel eine Kolbenpumpe (nicht gezeigt) mit einem Kolben 34, die Suspension oder Lösung 40 in die Strömungskanäle 16 gepumpt werden kann. Das Halteelement 22 besitzt eine Ableitung 23 für die Suspension oder Lösung 40. In dieser Ausführungsform sind die Strömungskanäle also im Wesentlichen horizontal angeordnet, während die Suspension oder Lösung 40 eingepumpt wird. Dadurch wird ein Nachlaufen der Suspension bzw. Lösung in den Bereich des Katalysator-Formkorpers, der an die erste Endfläche 12 angrenzt, minimiert oder vermieden.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann die Suspension und/oder Lösung bis zu einer Füllgrenze, die zwischen der ersten und der zweiten Endfläche angeordnet ist, in die Strömungskanäle eingebracht werden. Die Füllgrenze kann im Wesentlichen quer oder im Wesentlichen senkrecht zu den Stromungskanälen verlaufen. Die Füllgrenze kann dabei über alle Strömungskanale und/oder im Wesentlichen in einer Linie verlaufen.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann in den Strömungskanälen ein dem Einbringen der Suspension und/oder Lösung entgegenwirkender Druck, hier auch Gegendruck genannt, erzeugt werden. Die Suspension und/oder Lösung kann eine Viskosität im Bereich von größer 1 Pa s bei beliebiger Scherrate besitzen. Alternativ oder zusätzlich können die Strömungskanäle an der zweiten Endfläche verschlossen werden. Desweiteren oder alternativ kann in den Strömungskanälen ein dem Einbringen der Suspension und/oder Lösung entgegenwirkender Druck ausgehend von oder angrenzend an der zweiten Endfläche erzeugt werden.
Ein Beispiel für diese Ausführungsformen ist in 3 schematisch dargestellt. Im Unterschied zur 2 wird in dieser Ausführungsform die Suspension oder Lösung 40 nicht durch die Ableitung 23 abgeleitet. Vielmehr wird innerhalb der Strömungskanäle ein zum Pumpdruck entgegengesetzt wirkender Gegendruck derart aufgebaut, dass die Suspension oder Lösung nach dem Einströmen in die Strömungskanäle 16 ausgehend von der ersten Endfläche 12 nur bis zu einer Füllgrenze 50 eingebracht wird, die zwischen der ersten und der zweiten Endfläche angeordnet ist.
Der Gegendruck kann beispielsweise dadurch entstehen, dass die Suspension und/oder Lösung eine Viskosität im Bereich von größer ungefähr 1 Pa s, insbesondere bei beliebiger Scherrate, besitzt. Eine derartige Viskosität bewirkt, dass die Suspension und/oder Lösung einen Gegendruck gegen den Druck der Pumpe aufbaut und aus diesem Grund nicht bis zur zweiten Endfläche des Katalysator-Formkörpers gelangt. Alternativ oder zusätzlich kann der Gegendruck durch Anlegen eines Druckes, der dem Pumpdruck entgegenwirkt, in der Ableitung 23 erzeugt werden. Weiter alternativ oder zusätzlich kann die zweite Endfläche des Katalysator-Formkörpers auch verschlossen werden (nicht dargestellt in 3), beispielsweise mit einem Deckel, um einem dem Pumpdruck entgegenwirkenden Druck aufzubauen.
Durch den, wie vorstehend erläutert, in den Strömungskanälen 16 aufgebauten Gegendruck kann die Suspension und/oder Lösung 40 durch die Pumpe nur bis zu einer bestimmten Füllhöhe zwischen der ersten und zweiten Endfläche des Katalysator-Formkörpers eingebracht werden. Wird der Gegendruck durch Verschließen der zweiten Endfläche 14 des Katalysator-Formkörpers erzeugt, befindet sich in den Strömungskanälen 60 ein Luftvolumen, das ein sogenanntes Druckpolster durch die Verkleinerung des Volumens während des Zupumpens als Gegendruck erzeugt. Das Anlegen eines Gegendrucks an der Ableitung 23 und/oder das Verschließen der zweiten Endfläche des Katalysator-Formkörpers ist insbesondere dann zur Erzeugung eines Gegendruckes geeignet, wenn die Suspension und/oder Lösung keine ausreichend hohe Viskosität besitzt, um aus sich selbst heraus einen Gegendruck aufzubauen. In allen Fällen des Erzeugens eines dem Pumpdruck entgegenwirkenden Gegendrucks kann eine Füllgrenze der Suspension und/oder Lösung 40 innerhalb der Strömungskanäle 16 erzeugt werden, die über die gesamten Strömungskanäle im Wesentlichen senkrecht zu diesen verläuft. Dabei können die Füllgrenzen der jeweiligen Strömungskanäle eine gemeinsame, im Wesentlichen senkrecht zu den Strömungskanälen verlaufende Beschichtungsgrenze 50 bilden, wie in 3 dargestellt ist. Auf diese Weise kann eine Teil-Beschichtung oder teilweise Beschichtung des Katalysator-Formkörpers erzielt werden.
In einer Abwandlung der in 3 dargestellten Ausführungsform kann vor der ersten Endfläche und/oder angrenzend an die erste Endfläche ein Kapillarsystem angeordnet werden. Beispielsweise kann das Kapillarsystem parallele Kapillaren umfassen, die in Richtung der Strömungskanäle verlaufen. Das so erzeugte Kapillarsystem (nicht gezeigt) ermöglicht eine Verstärkung des Gegendrucks und/oder eine vergleichmäßigte Anströmung der Suspension oder Lösung auf den zu beschichtenden Körper.
In Ausführungsformen wird nach der Beschichtung die uberschüssige Suspension und/oder Lösung aus den Strömungskanälen abgeleitet. Dies kann in der Ausführungsform gemäß 2 dadurch geschehen, dass die Suspension oder Lösung 40 über die Ableitung 23 abgepumpt wird. In der Ausführungsform der 3 kann, nachdem die gewunschte jeweilige Beschichtungslänge erreicht ist, die überschüssige Suspension oder Lösung 40 aus den Kanälen zum Beispiel durch eine Gegenbewegung der Pumpe oder durch Erhöhen des an der Ableitung 23 angelegten Gegendrucks erfolgen. Ferner kann der Katalysator-Formkörper z. B. an der Endfläche 14 mit Pressluft oder einem anderen Gas beaufschlagt werden, um die Strömungskanäle von überschüssiger Suspension oder Lösung 40 zu befreien.
In Ausführungsformen kann der beschichtete Katalysator-Formkörper getrocknet werden. Ferner kann eine Kalzinierung des beschichteten Katalysator-Formkörpers durchgeführt werden, zum Beispiel unter Luft, Vakuum, Schutzgas, Inertgas oder Argon. Das Kalzinieren kann bei Temperaturen von ungefähr 300 bis 900°C, z. B. 750°C, durchgeführt werden. Außerdem kann der Vorläufer der katalytisch aktiven Komponente in die katalytisch aktive Komponente überführt werden, zum Beispiel durch Behandlung mit Wasserstoff.
Die Suspension kann in Ausführungsformen ein Trägermaterial aufweisen. Alternativ oder zusätzlich können der Katalysator-Formkörper und/oder dessen Strömungskanäle ein Trägermaterial aufweisen. Dabei kann das Trägermaterial ein offenporiges und/oder anorganisches Trägermaterial sein. Ferner kann mindestens ein Element ausgewählt aus der Suspension, dem Substrat und den Strömungskanälen ein Trägermaterial aufweisen. Das Trägermaterial ist beispielsweise ein offenporiges und/oder anorganisches Trägermaterial. Ferner kann das Trägermaterial ausgewählt sein aus Titanoxid, γ-Aluminiumoxid, θ-Aluminiumoxid, Δ-Aluminiumoxid, Ceroxid, Siliziumoxid, Zinkoxid, Magnesiumoxid, Aluminium-Siliziumoxid, Siliziumcarbid, Magnesiumsilikat, Zirkonoxid, Titandioxid und einer Mischung von zwei oder mehr der vorgenannten Materialien.
In Ausführungsformen kann der Katalysator-Formkörper ein Formkörper mit parallelen Strömungskanälen, ein Wabenkörper, eine Cordierit-Wabe, Siliciumcarbid-Wabe, Aluminiumtitanat-Wabe oder eine Metall-Wabe sein.
Die Erfindung betrifft auch einen Katalysator, der durch das Verfahren gemäß Ausführungsformen erhältlich oder erhalten ist.
Eine Ausführungsform betrifft einen Katalysator umfassend einen Katalysator-Formkörper mit einer ersten und einer zweiten Endfläche und mit einer Mehrzahl von Strömungskanälen, die den Katalysator-Formkörper von der ersten Endfläche bis zur zweiten Endfläche durchziehen. Die Strömungskanäle sind mit einer katalytisch aktiven Komponente oder einem Vorläufer der katalytisch aktiven Komponente von der ersten Endfläche bis zur zweiten Endfläche oder bis zu einer Beschichtungsgrenze (50), die zwischen der ersten und der zweiten Endfläche angeordnet ist, homogen beschichtet.
Die Beschichtungsgrenze kann in einer Ausführungsform im Wesentlichen über alle Strömungskanäle im Wesentlichen in einer Linie quer zu den Strömungskanälen verlaufen. Dabei kann die Beschichtungsgrenze im Wesentlichen senkrecht zu den Strömungskanälen verlaufen.
Im Katalysator gemäß Ausführungsformen kann der Katalysator-Formkorper wie oben zum Verfahren von Ausführungsformen erläutert ausgebildet sein. Beispielsweise können die erste und die zweite Endfläche einander entgegengesetzt angeordnet sein und/oder der Katalysator-Formkörper kann zylindrisch geformt sein.
Unter dem Begriff ”homogen beschichtet” ist vorliegend eine Beschichtung des Katalysator-Formkörpers zu verstehen, die keinen oder nur einen geringen Gradienten der Konzentration der katalytisch aktiven Komponente entlang bzw. parallel zu den Strömungskanälen und/oder eine entlang bzw. parallel zu den Strömungskanälen gleichmäßige Schichtdicke der auf den Katalysator-Formkörper aufgebrachten Schicht der Suspension und/oder Lösung oder der katalytisch aktiven Komponente aufweist.
Die katalytisch aktive Komponente kann im Katalysator ein oder mehrere Edelmetalle umfassen, wie oben erläutert. Zum Beispiel kann die katalytisch aktive Komponente mindestens ein Element umfassen, ausgewählt aus einem oder mehreren Edelmetallen, z. B. Platin, Palladium, Rhodium, Ruthenium, Iridium, Cobalt, Mangan, Wolfram, Gold, Silber und/oder Rhenium umfassen.
Ferner können im Katalysator der Katalysator-Formkörper und/oder die Strömungskanäle des Katalysators ein Trägermaterial aufweisen oder damit beschichtet sein. Beispielsweise kann die katalytisch aktive Komponente auf dem Trägermaterial abgeschieden sein. Das Trägermaterial des Katalysators kann ein wie oben zu Ausführungsformen des Verfahrens beschriebenes Trägermaterial sein.
Der Katalysator gemäß Ausführungsformen kann zur Abgasreinigung verwendet werden, beispielsweise in Verbrennungsmotoren, stationären und mobilen Abgasreinigungen, für den Betrieb von Brennstoffzellen, für SHIFT-Reaktionen und/oder für Reforming. Der Katalysator kann also in oder im Zusammenhang mit Brennstoffzellenanwendungen, wie SHIFT-Reaktionen, wie der Wassergas-Shift-Reaktion, oder Reforming, wie Dampfreformierung, eingesetzt werden.
Alle hier beschriebenen Ausführungsformen fördern die homogene Beschichtung von Substraten, die von Strömungskanälen, die beispielsweise parallel zueinander verlaufen, durchzogen sind. Dies wird anhand der folgenden Beispiele weiter erläutert.
Beispiele
In den Beispielen 1 bis 3 wird ein Vergleich des Konzentrationsgefälles der katalytisch aktiven Komponente entlang der Strömungskanäle zwischen einem vertikalen Beschichtungsprozess und einem horizontalen Beschichtungsprozess durchgeführt.
Für die Beispiele 1 bis 3 wurden Cordierit-Waben gleichen Typs verwendet. In Beispiel 1 wurde eine unbeschichtete Cordierit-Wabe in sieben Scheiben zersägt und die Scheiben wurden vermessen. Die Cordierit-Waben der Beispiele 2 und 3 wurden als Ganzes beschichtet und anschließend in sieben Scheiben zersägt, um so den Beladungsgradienten gravimetrisch zu ermitteln. Dazu wurden in jedem Beispiel die sieben Cordierit-Scheiben, die jeweils mit der gleichen geometrischen Anordnung von Strömungskanälen durchgezogen sind, getrennt voneinander gravimetrisch vermessen.
Die 4 bis 6 zeigen die in den Beispielen 1 bis 3 erzeugten Scheiben der Waben. Vor dem Zersägen wurde zur Kennzeichnung der Scheiben jede unzersägte Wabe auf ihrer in den 4 bis 6 vorne angeordneten Seite durch zwei sich kreuzende Linien markiert.
Beispiel 1

Im Beispiel 1 wurde eine Cordierit-Wabe des gleichen Typs, der als Substrat oder Katalysator-Formkörper in den Beispielen 2 und 3 eingesetzt wurde und in 4 gezeigt ist, vermessen. Die unbeschichtete Cordierit-Wabe des Beispiels 1 wurde dazu in sieben Cordierit-Scheiben zersägt. In Tabelle 1 werden die Abmessungen, das Gewicht, das Volumen der Wabe, sowie Rohgewichtdichte in g/l der Scheiben der leeren Wabe wiedergegeben. Tabelle 1

Scheiben-Nr.	Dicke der Scheibe ^[ ^mm ^]	Breite [mm]	Tiefe [mm]	Gewicht [g]	Volumen [l]	[g/l] der leeren Wabe

1	19	150	150	205,4	0,428	480,5
2	18,7	150	150	196,5	0,421	467,0
3	19	150	150	201	0,428	470,2
4	18,85	150	150	201,2	0,424	474,4
5	18,9	150	150	201,4	0,425	473,6
6	16,8	150	150	179,1	0,378	473,8
7	18,9	150	150	202,9	0,425	477,1

4 zeigt eine fotografische Abbildung der in Beispiel 1 verwendeten Cordierit-Scheiben.
Beispiel 2
Im Beispiel 2 wurde die Cordierit-Wabe in einem vertikalen Prozess beschichtet. Die nach dem Zersagen erhaltenen sieben Cordierit-Scheiben sind in 5 gezeigt. In 5 wurde zur Veranschaulichung des vertikalen Prozesses die fotografische Abbildung um 90° gedreht.
Die Wabe wurde in einer vertikal angeordneten Tauchapparatur (nicht gezeigt) beschichtet und anschließend in die 7 Scheiben zersägt. Während der Beschichtung waren die spätere Scheibe 7 unten in der Tauchapparatur und darüber die späteren Scheiben 6 bis 1 in dieser Reihenfolge angeordnet. Die Wabe wurde ausgehend von der späteren Scheibe 7 bis zur späteren Scheibe 1 von der Suspension durchströmt, die eine wässrige, saure Aluminiumoxid-Suspension mit einem Feststoffgehalt > 40% war.
Tabelle 2 gibt die Werte der Abmessungen der Scheiben 1 bis 7, die in Beispiel 2 verwendet wurden, wieder. Zusätzlich ist in der Spalte ”Aufnahme” die Menge an Suspension wiedergegeben, die beim Beschichtungsprozess von der jeweiligen Scheibe aufgenommen wurde, d. h. die Beladung der Scheiben. Ferner ist die Abweichung der Aufnahme von Mittelwert in Prozent angegeben. Der Blindwert [g/l] – leere Wabe steht darin für das Rohgewicht des Cordierit der jeweiligen Waben-Scheibe.
Aus Tabelle 2 ist ersichtlich, dass die am unteren Ende der Tauchapparatur angeordnete Scheibe 7 die größte Menge an Suspension aufgenommen hatte. Ferner nimmt die aufgenommene Menge von Scheibe 7 bis Scheibe 1 von Scheibe zu Scheibe ab.
5 zeigt die im Beispiel 2 eingesetzten Scheiben, angeordnet in einem Abstand zueinander.
Beispiel 3
Im Beispiel 3 wurde die Cordierit-Wabe horizontal beschichtet. Die nach dem Zersägen erhaltenen Cordierit-Scheiben 1 bis 7 sind in 6 gezeigt.
Die Wabe des Beispiels 3 wurde, wie oben erläutert, horizontal beschichtet und anschließend in die 7 Scheiben zersägt. Während der Beschichtung wurde die Suspension durch die Wabe ausgehend von der späteren Scheibe 7 bis zur späteren Scheibe 1 gepumpt. Dabei wurde die gleiche wässrige, saure Aluminiumoxid-Suspension mit einem Feststoffgehalt > 40% wie in Beispiel 2 verwendet.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 dargestellt, die neben den Abmessungen der einzelnen Scheiben auch die Aufnahme an Suspension für jede Scheibe, sowie die Abweichung vom Mittelwert in Prozent wiedergibt. Blindwert [g/l] – leere Wabe steht darin für das Rohgewicht des Cordierit der jeweiligen Waben-Scheibe.
Aus Tabelle 3 ist ersichtlich, dass die von den Scheiben 1 bis 7 aufgenommenen Mengen der Suspension (Aufnahme) in einem Bereich liegen, der kleiner ist als der Bereich, in dem die aufgenommenen Mengen der Suspension des Beispiels 2 liegen (vgl. Tabelle 2). Somit wurde in Beispiel 3 eine im Vergleich zu Beispiel 2 homogenere Beschichtung der zusammengesetzten Strömungskanäle erzeugt. Ferner zeigt Beispiel 3 deutlich, dass bei einem horizontalen Beschichtungsprozess die aufgenommene Menge der Suspension pro Scheibe nicht abhängig ist von der ursprünglichen Position der Scheibe innerhalb der Wabe, im Gegensatz zu einem vertikalen Beschichtungsprozess wie in Beispiel 2. Es gibt also im Wesentlichen keinen oder nur einen äußerst geringen Gradienten der katalytischen Komponente im Strömungskanal über die gesamte Wabe. Das Zersägen der Waben der Beispiele 1 bis 3 diente lediglich als Nachweis dieses Effekts.
6 zeigt die im Beispiel 3 eingesetzten Waben 1 bis 7 in Abständen zueinander angeordnet.
Ergebnis
7 gibt das Ergebnis des in den Beispielen durchgeführten Vergleichs wieder, in dem ein vertikaler Beschichtungsprozess einer Wabe mit einem horizontalen Beschichtungsprozesses einer Wabe verglichen wurde. In 7 sind die in den Tabellen 2 und 3 aufgelisteten Abweichungen vom Mittelwert in Abhängigkeit von der Scheibennummer wiedergegeben. Es ist deutlich erkennbar, dass die horizontal mit der Suspension beschichteten Scheiben eine geringere Abweichung vom Mittelwert der Beladung zeigt als die vertikal beschichteten Scheiben. Mit anderen Worten, der horizontale Beschichtungsprozess führt zu einer gleichmäßigen Beschichtung der Wände der Strömungskanäle, während eine vertikale Beschichtung zu deutlichen Unterschieden oder Schwankungen in der Beladung der Wände der Strömungskanäle führt. Insbesondere bewirkt die vertikale Beschichtung eine bevorzugte Beladung der Strömungskanäle an der Eintrittsseite der Wabe. Das heißt, im Beispiel 2 wurde die Scheibe 7 in einem größeren Ausmaß mit der Suspension beschichtet als die Scheiben 1 bis 6. Somit sieht man bei der vertikal beschichteten Wabe einen klaren Trend bzw. ein Gefälle oder einen Gradienten der katalytischen Beladung durch den einzelnen Strömungskanal entlang seiner gesamten Länge. Bei der horizontal beschichteten Wabe ist dieser Effekt deutlich reduziert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 3873350 [0004]
DE 4040150 A1 [0005]
EP 0428990 A1 [0006]
DE 10014547 A1 [0007]
DE 102004040551 A1 [0008]
DE 102004051099 A1 [0009]
US 2001/0024686 A1 [0010]

Claims

Verfahren zur Beschichtung eines Substrats, insbesondere eines Katalysator-Formkörpers, umfassend Bereitstellen eines Substrats (10) mit einer ersten und einer zweiten Endfläche (12, 14) und mit einer Mehrzahl von Strömungskanälen (16), die das Substrat von der ersten Endfläche bis zur zweiten Endfläche durchziehen; Anordnen des Substrats derart, dass die Strömungskanäle in einem Neigungs-Winkel zur Vertikalen ausgerichtet sind; und Einbringen einer Suspension und/oder einer Lösung (40) in die Strömungskanäle ausgehend von der ersten Endfläche.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Strömungskanäle parallel zueinander angeordnet sind; und/oder wobei als der Neigungs-Winkel ein Winkel von 90° oder ein Winkel im Bereich von 45° bis 90° oder im Bereich von 70° bis 90° eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Substrat ein Katalysator-Formkörper ist; und/oder wobei die Suspension und/oder Lösung eine katalytisch aktive Komponente oder einen Vorläufer einer katalytisch aktiven Komponente enthält.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Suspension und/oder Lösung über die zweite Endfläche hinaus oder bis zu einer Füllgrenze (50), die zwischen der ersten und der zweiten Endfläche angeordnet ist und/oder quer oder senkrecht zu den Strömungskanälen verläuft, in die Strömungskanale eingebracht wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Einbringen durch Pumpen der Suspension und/oder Lösung in die Strömungskanäle durchgeführt wird; und/oder wobei in den Strömungskanälen ein dem Einbringen der Suspension und/oder Lösung entgegenwirkender Druck erzeugt wird; und/oder wobei die Suspension und/oder Lösung eine Viskosität im Bereich von größer 1 Pa s besitzt; und/oder wobei die Strämungskanäle an der zweiten Endfläche verschlossen werden; und/oder wobei in den Strömungskanälen ausgehend von oder angrenzend an der zweiten Endfläche ein dem Einbringen der Suspension und/oder Lösung entgegenwirkender Druck angelegt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei vor der ersten Endfläche und/oder angrenzend an die erste Endfläche ein Kapillarsystem angeordnet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiter umfassend mindestens einen der Schritte: Ableiten der überschüssigen Suspension und/oder Lösung aus den Strömungskanälen; Trocknen des beschichteten Substrats; Kalzinieren des beschichteten Substrats; Kalzinieren des beschichteten Substrats unter Luft, Vakuum, Schutzgas, Inertgas oder Argon; Kalzinieren des beschichteten Substrats bei mindestens Temperaturen von 300 bis 900°C; und Überführen des Vorläufers der katalytisch aktiven Komponente in die katalytisch aktive Komponente.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die katalytisch aktive Komponente ein Edelmetall ist; und/oder wobei die katalytisch aktive Komponente mindestens ein Element ist ausgewählt aus Platin, Palladium, Rhodium, Ruthenium, Iridium, Cobalt, Mangan, Wolfram, Gold, Silber und Rhenium.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Element ausgewählt aus der Suspension, dem Substrat und den Strömungskanälen ein Trägermaterial aufweisen; und/oder wobei das Trägermaterial ein offenporiges und/oder anorganisches Trägermaterial ist; und/oder wobei das Trägermaterial ausgewählt ist aus Titanoxid, γ-Aluminiumoxid, θ-Aluminiumoxid, Δ-Aluminiumoxid, Ceroxid, Siliziumoxid, Zinkoxid, Magnesiumoxid, Aluminium-Siliziumoxid, Siliziumcarbid, Magnesiumsilikat, Zirkonoxid und Titandioxid und einer Mischung von zwei oder mehr der vorgenannten Materialien.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Substrat mindestens ein Element ist ausgewählt aus einem Formkörper mit parallelen Strömungskanalen, einem Wabenkörper, einer Cordierit-Wabe, einer Siliciumcarbid-Wabe, einer Aluminiumtitanat-Wabe und einer Metall-Wabe.
Katalysator, erhältlich oder erhalten durch ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Katalysator, insbesondere nach Anspruch 11, umfassend einen Katalysator-Formkörper (10) mit einer ersten und einer zweiten Endfläche (12, 14) und mit einer Mehrzahl von Strömungskanälen (16), die den Katalysator-Formkörper von der ersten Endfläche bis zur zweiten Endfläche durchziehen; wobei die Strömungskanäle mit einer katalytisch aktiven Komponente oder einem Vorläufer der katalytisch aktiven Komponente von der ersten Endfläche bis zur zweiten Endfläche oder bis zu einer Beschichtungsgrenze (50), die zwischen der ersten und der zweiten Endfläche angeordnet ist, homogen beschichtet sind.
Katalysator nach einem der Ansprüche 11 und 12, wobei die Beschichtungsgrenze über alle Strömungskanäle in einer Linie quer oder senkrecht zu den Strömungskanälen verläuft; und/oder wobei die katalytisch aktive Komponente ein oder mehrere Edelmetalle umfasst; und/oder wobei die katalytisch aktive Komponente mindestens ein Element ist ausgewählt aus Platin, Palladium, Rhodium, Ruthenium, Iridium, Cobalt, Mangan, Wolfram, Gold, Silber und Rhenium.
Katalysator nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei der Katalysator-Formkörper und/oder die Strömungskanäle ein Trägermaterial aufweisen oder mit einem Trägermaterial beschichtet sind; und/oder wobei das Trägermaterial ein offenporiges und/oder anorganisches Trägermaterial ist; und/oder wobei das Trägermaterial ausgewählt ist aus Titanoxid, γ-Aluminiumoxid, θ-Aluminiumoxid, Δ-Aluminiumoxid, Ceroxid, Siliziumoxid, Zinkoxid, Magnesiumoxid, Aluminium-Siliziumoxid, Siliziumcarbid, Magnesiumsilikat, Zirkonoxid, Titandioxid und einer Mischung von zwei oder mehr der vorgenannten Materialien.
Katalysator nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei der Katalysator-Formkörper mindestens ein Element ist ausgewählt aus einem Formkörper mit parallelen Strömungskanälen, einem Wabenkörper, einer Cordierit-Wabe, einer Siliciumcarbid-Wabe, einer Aluminiumtitanat-Wabe und einer Metall-Wabe.
Verwendung eines Katalysators nach einem der Ansprüche 11 bis 15 zur Abgasreinigung, zur stationären und/oder mobilen Abgasreinigung, für den Betrieb von Brennstoffzellen, für SHIFT-Reaktionen und/oder für Reforming.