DE102019132874A1 - Katalysator zum Entfernen von Stickoxiden - Google Patents
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Abstract
Katalysator zum Entfernen von Stickstoff, aufweisend einen LNT-Katalysator und einen. Cu/CeO-Katalysator, welcher physisch mit dem LNT-Katalysator vermischt ist.
Description
- Hintergrund der Offenbarung
- Technisches Gebiet
- Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Katalysator zum Entfernen von Stickoxiden (NOx), und betrifft im Detail einen Katalysator zum Entfernen von Stickoxiden mit verbesserter Reinigungsperformance bei niedrigen Temperaturen.
- Beschreibung bezogener Technik
- Im Generellen enthält Abgas eines Dieselfahrzeugs Kohlenstoffmonoxide, Kohlenwasserstoffe und Stickoxide als schädliche Substanzen. Hierbei sind die auftretenden Probleme durch Kohlenstoffmonoxide und Kohlenwasserstoffe relativ gering, jedoch führen Stickoxide zu Umweltschäden, wie photochemischem Smog und saurem Regen, und gesundheitlichen Schäden beim Menschen. Daher ist es erforderlich eine Technologie zur Nachbehandlung des Abgases mit einer Verbesserung des Verbrennungsmotors zu entwickeln.
- Der Speicher-Mager-NOx-Falle(LNT)-Katalysator bezieht sich auf einen Katalysator, der ein Auslassen von NOx unterdrückt durch Speichern von NOx in Form von Nitrat in einem Magerverbrennungsbereich, in welchem NOx-Reduktion mittels einer Edelmetallphasenreaktion schwierig ist. Wenn das NOx-Speichern für eine vorbestimmte Zeit fortschreitet, wird ein NOx-Speicherkapazität-Grenzwert des Katalysators erreicht, und zu dieser Zeit, wenn die Sauerstoffkonzentration im Abgas verringert ist und die Reduktionskomponente, wie CO/HC, erhöht ist durch Steuerung der Motorverbrennung (Nacheinspritzung), reagieren die gespeicherten Nitrate mit einem Reduktionsmittel (zum Beispiel HC, CO, H2, usw.) und werden zu Stickstoff umgewandelt.
- (1) Reaktion in einer NOx-Speicherperiode:
BaCO3 + 2NO2 + ½ O2 → Ba(NO3)2 + CO2 - (2) Reaktion in einer NOx-Reduktionsperiode:
Ba(NO3)2 + 2R → 2NOx + BaO +2RO2.5-x NOx + R → ½ N2 + ROx - Der Speicher-LNT-Katalysator bedeutet eine NOx-Speicherperformance in einem 100-400 °C Temperaturbereich und bedeutet eine NOx-Reduktionsperformance bei 250 °C oder mehr. Allerdings wird im LNT-Katalysator für einen Diesel-Verbrennungsmotor, da das NOx-Speichern bei einer Temperatur unterhalb des Temperaturbereichs erfolgt, als das NOx-Speichermaterial Cerium (Ce) zusätzlich zu Barium (Ba) verwendet. Ce hat den Nutzen, dass es eine sehr gute Niedertemperatur-Speicher-Performance verglichen mit Ba aufweist, wenngleich die Speicher-Intensität geringer als die von Ba ist, was die Hauptursache für ein thermisches Desorptions-Phänomen ist, bei dem kein weiteres Speichern erfolgt, sondern das gespeicherte NOx im Falle eines rapiden Anstiegs der Katalysatortemperatur auf Grund einer Fahrzeugbeschleunigung ausgelassen wird, was der Hauptgrund für die Verschlechterung der NOx-Reinigungsperformance ist.
- Der LNT-Katalysator wurde von Toyota für Fahrzeuge in den frühen 1990ern vorgeschlagen und wurde für Magerverbrennungs-Benzin-Katalysatoren entwickelt. Ein separater Drei-Wege-Katalysator ist vor einem LNT-Katalysator angeordnet. Auf Grund von Charakteristiken des Benzinmotors ist die katalytische Reaktionstemperatur höher als die eines PKW-Dieselmotors. Aus diesem Grund wurde ein Katalysator entwickelt, der Ba, K, usw. als Hochtemperatur-Speichermaterial mit einem hohen Gehalt von 10 bis 20 Gew.-% enthält, und anschließend wurde ein Katalysator, der eine Ce-Komponente für ein Niedertemperatur-Speichern enthält, entwickelt.
- Aluminiumoxid (Al2O3) wird hauptsächlich als LNT-Katalysator-Halte-Element verwendet. Die
koreanische Patent-Offenlegung No. 2009-0086517 koreanische Patent-Offenlegung No. 2010-0061152 japanischen Patent-Offenlegung No. 7-213902 - In den vergangenen Jahren wurden mit Verlautbarung der EURO VI Abgas-Regularien die meisten Personen-Diesel-Fahrzeuge mit NOx-Verringerungs-Katalysatoren ausgestattet. Da die Menge an erlaubtem Abgas-NOx in EURO VI halbiert ist im Vergleich zu EURO V, ist die Katalysator-Verbesserung des NOx-Reduktions-Katalysators dringender notwendig.
- Die obige Information, die in diesem Hintergrund-Abschnitt offenbart ist, ist nur zum verbesserten Verständnis des Hintergrunds der Offenbarung und kann daher Informationen enthalten, die nicht den Stand der Technik bilden, der einem Fachmann in diesem Land bereits bekannt war.
- Erläuterung der Offenbarung
- Die vorliegende Offenbarung stellt einen LNT-Katalysator mit verbesserter Reinigungsperformance von Niedertemperatur-Stickstoffoxiden bereit.
- Ein Katalysator zum Entfernen von Stickstoffoxiden gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung weist auf einen LNT-Katalysator und einen Cu/CeO2-Katalysator, der mit dem LNT-Katalysator physisch vermischt ist.
- Ein Gewichtsverhältnis des LNT-Katalysators und des Cu/CeO2-Katalysators kann 1:3 bis 3:1 sein.
- Ein Cu-Gehalt des Cu/CeO2-Katalysators kann zwischen 1 und 5 Gew.-% liegen.
- Der LNT-Katalysator kann mindestens eines ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Pt, Ba und Ce aufweisen.
- Der LNT-Katalysator gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung verbessert die Reinigungsperformance der Stickstoffoxide bei niedrigen Temperaturen unterhalb von 300°C durch Mischen von Cu/CeO2 mit einem existierenden LNT-Katalysator.
- Figurenliste
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1 ist eine Ansicht, die das Prinzip des Stickstoffoxid-Entfernens in einem typischen LNT-Katalysator veranschaulicht. -
2 ist eine Ansicht, die ein Verfahren zum Synthetisieren von Cu/CeO2 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht. -
3 ist eine Ansicht, die eine Struktur einer Reaktions-Vorrichtung veranschaulicht, welche in einer Evaluierung der vorliegenden Offenbarung verwendet wird. -
4 ist eine Ansicht, die ein Evaluieren einer Reinigungsperformance veranschaulicht, wobei zwischen einem Anwendungsverfahren von Cu/CeO2 auf einen LNT-Katalysator unterschieden wird. -
5 ist eine Ansicht, die eine Messung der Reinigungseffizienz veranschaulicht, wobei ein Cu-Gehalt eines gemischten Cu/CeO2-Katalysators variiert wird. -
6 ist eine Ansicht, die eine Messung der Reinigungseffizienz veranschaulicht, wobei das Mischungsverhältnis aus LNT-Katalysator und Cu/CeO2 verändert wird. -
7 ist eine Ansicht, die eine Messung einer NOx-Speichergeschwindigkeit für verschiedene Katalysator-Kombinationen zeigt. -
8 ist eine Ansicht, die eine Messung der NO-Oxidationsperformance für verschiedene Katalysator-Kombinationen veranschaulicht. -
9 ist eine Ansicht, die eine Messung einer H2-Erzeugnismenge für verschiedene Katalysator-Kombinationen veranschaulicht. -
10 ist eine Ansicht, die eine Messung einer H2-Erzeugnismenge unter einer mager/fett-Bedingung veranschaulicht. - Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
- Nun wird ein LNT-Katalysator gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung im Detail beschrieben mit Verweis auf die beigefügten Zeichnungen.
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1 ist eine Ansicht, die das Entfern-Prinzip eines Stickstoffoxids in einem typischen LNT-Katalysator veranschaulicht. Der LNT-Katalysator wird vorrangig in einem Fahrzeug mit Dieselmotor verwendet als der NOx-Entfern-Katalysator mit mager/fett-Steuerung. In einem typischen LNT-Katalysator wird NO zu NO2 in einer mageren Atmosphäre an einem Edelmetall-Katalysator oxidiert und in einer Ba-Stätte gespeichert. Als nächstes wird in einer fetten Atmosphäre gespeichertes NOx zu N2 reduziert durch die Reaktion mit Reduktionsmittel-Gasen aus H2, CO und HC. - Jedoch tritt in einem aktuellen kommerziellen LNT die NOx-Reinigungs-Performance in einem Temperaturbereich zwischen 250-350 °C auf. Dagegen, gemäß der Einführung einer Real Driving Emission (RDE), benötigt die NOx-Reinigungsperformance die Einführung eines exzellenten LNT-Katalysators für niedrige Temperaturen (150-200 °C).
- Zur Verbesserung der NOx-Reinigungs-Performance bei niedrigen Temperaturen ist es notwendig, sowohl die Menge an gespeichertem NOx, als auch die Reduktionseffizienz bei niedrigen Temperaturen zu verbessern. Diesbezüglich ist es notwendig, die Reinigungsperformance zu erhöhen, durch Hinzufügen eines funktionalen Materials zum Verbessern des Niedertemperatur-NOx-Speicherns und zum Verbessern der Reduktion zu einem existierenden LNT-Katalysator.
- Dementsprechend verbessert der LNT-Katalysator gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung die Niedertemperatur-NOx-Reinigungs-Performance durch Hinzufügen eines Nicht-Edel-Metall-Katalysators (Cu/CeO2) zu dem aktuellen LNT-Katalysator.
- Dies wird im Detail weiter unten beschrieben.
- Der LNT-Katalysator gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung verbessert die Niedertemperatur-Reinigungs-Performance durch Mischen eines Nicht-Edel-Metall-Katalysators (Cu/CeO2) mit dem existierenden LNT-Katalysator.
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2 ist eine Ansicht, die ein Verfahren des Synthetisierens von Cu/CeO2 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt. - Der Cu/CeO2-Katalysator gemäß der vorliegenden Offenbarung wird hergestellt durch Imprägnieren des CeO2-Halte-Elements mit Cu, und der Katalysator wird bei 110 °C für 5 Stunden oder länger getrocknet und anschließend für 5 Stunden in einem Ofen erwärmt, während die Temperatur mit einer 5°/min-Rate (Rampe) bis auf 500 °C erhöht wird.
- Der hergestellte Cu/CeO2-Katalysator wird mit einem LNT-Katalysator (1 Gew.-% Pt/10 Gew.-% Ba/CeO2) gemischt und die NOx-Reinigungs-Performance wird evaluiert.
- Die NOx-Reinigungsperformance wird unter experimentellen Bedingungen evaluiert, wie in Tabelle 1 dargestellt, unter Verwendung einer Reaktionsapparatur, wie in
3 dargestellt. [Tabelle 1]Mager Fett Dauer (min) 12 2 Raumgeschwindigkeit (mL 120.000 120.000 NO (ppm) 200 200 O2(%) 8 - CO (%) - 2 H2O (%) 5 5 Ar Balance Balance - Das bedeutet, in einer Katalysator-Aktivierungs-Evaluierung nach den Bedingungen wie in Tabelle 1, werden 0,1g eines Pulvers des Katalysators in ein Quartz-Reaktions-Röhrchen gefüllt, ein 1%-H2/Ar Gas wird dorthinein eingeströmt, und eine Vorbehandlung bei 500 °C für 1 Stunde wird durchgeführt, und anschließend werden die mager/fett-Bedingungen wiederholt und die NOx-Reinigungsperformance in Abhängigkeit von der Reaktionstemperatur wird evaluiert.
- Zuerst wird die Reinigungsperformance evaluiert während das Anwendungsverfahren des Cu/CeO2-Verfahrens auf den LNT-Katalysator variiert wird, und das Resultat davon wird in
4 dargestellt. - Bezugnehmend auf
4 ist die Performance des Katalysators, bei welchem Cu/Ce02 mit dem LNT-Katalysator physisch vermischt ist, exzellent verglichen mit einer Einzel-Verwendung des LNT-Katalysators oder von Cu/CeO2. Des Weiteren, wie durch4 bestätigt wird, wird durch ein Vermischen von Cu mit dem LNT-Katalysator in einem Ausscheidungsverfahren/Fällungsverfahren die Reinigungs-Performance verringert, im Vergleich zur physischen Vermischung oder im Vergleich zur alleinigen Verwendung. - Die Reinigungseffizienz wird gemessen, während der Cu-Gehalt des vermischten Cu/CeO2-Katalysators variiert wird, und ist in
5 dargestellt. Bezugnehmend auf5 ist die Verbesserung der Niedertemperatur-Performance unter 300 °C effizient, falls der Cu-Gehalt von Cu/CeO2 1-5 Gew.-% ist. - Des Weiteren wird die Reinigungseffizienz gemessen, während das Mischungsverhältnis aus LNT-Katalysator und Cu/CeO2 variiert wird, und das Resultat davon ist in
6 dargestellt. Bezugnehmend auf6 ist die Niedertemperatur-Performance verbessert, falls das Mischungsverhältnis von LNT und Cu/CeO2-Katalysator einen 3:1-1:3 Gewichtsverhältnis-Bereich aufweist, wobei insbesondere bei einem Verhältnis von 1:1 die beste Performance auftritt. - Eine NOx-Reinigungsrate entsprechend der Temperatur von LNT (1 Gew.-% Pt/10 Gew.-% Ba/CeO2) + 5 Gew.-% Cu/CeO2 - Katalysator wird gemessen und ist in Tabelle 2 dargestellt. Die Katalysatorgesamtmenge wird in den experimentellen Bedingungen von Tabelle 2 unten konstant gehalten. Das bedeutet, in jedem experimentellen Versuch werden die Mengen von (1) LNT: 100 mg, (2) Cu/CeO2: 100 mg, (3) LNT-Cu: 100 mg und (4) LNT + Cu/CeO2: 50 mg + 50 mg evaluiert. [Tabelle 2]
Temperatur (°C) Katalysator NOx-Umwandlung (%) NOx-Speicher-Effizienz (%)(a) NOx-ReduktionsEffizienz (%)(b) LNT 11,8 25,6 32,4 Cu/CeO2 15,9 40,6 30,8 150 LNT-Cu 17,8 47,6 32,4 LNT + 40,0 61,7 59,4 Cu/CeO2 LNT 27,2 33,0 53,9 Cu/CeO2 21,0 43,6 42,8 200 LNT-Cu 27,8 52,4 46,9 LNT + 68,0 75,8 85,4 Cu/CeO2 LNT 61,8 64,5 88,8 Cu/CeO2 38,7 59,3 68,4 250 LNT-Cu 37,9 62,7 55,7 LNT + 82,1 85,7 93,6 Cu/CeO2 LNT 68,5 76,0 91,2 Cu/CeO2 49,0 59,0 75,5 300 LNT-Cu 35,1 63,2 51,3 LNT + 88,2 92,9 94,1 Cu/CeO2 LNT 74,9 86,9 90,1 Cu/CeO2 42,4 53,0 70,9 350 LNT-Cu 33,1 61,6 49,2 LNT + 91,3 93,5 96,4 Cu/CeO2 (α) (b) - Tabelle 2 kann Folgendes entnommen werden. Wenn die NOx-Reinigungseffizienz bei einem Mischungsverhältnis des LNT + Cu/CeO2 - Katalysators von 1:1 evaluiert wird, ist die NOx-Speicher-Menge und die Reduktionseffizienz im Temperaturbereich zwischen 150-350 °C deutlich verbessert, im Vergleich zum LNT-Katalysator.
- Des Weiteren ist die Reinigungseffizienz gering, falls Cu/CeO2 alleinig verwendet wird, und der LNT und Cu/CeO2-Katalysator müssen miteinander vermischt werden, um effizient zu sein.
- Des Weiteren, wenn die LNT hergestellt wird durch Hinzufügen von Cu mit Hilfe der Ausscheidungsmethode (LNT-Cu), konnte die NOx-Reinigungseffizienz nicht verbessert werden auf Grund einer Pt-Cu-Legierung, wobei der Gehalt des Edelmetalls, welches in LNT + CuCeO2 verwendet wurde, ungefähr 50 % beträgt im Vergleich zum LNT-Katalysator, und es kann bestätigt werden, dass die NOx-Reinigungs-Performance sogar besser ist, wenn der kleine Anteil des Edelmetalls verwendet wird.
- Im Folgenden werden verschiedene Performances des LNT Cu/CeO2-Katalysators gemessen.
7 ist eine Ansicht, die eine Messung einer NOx-Speichergeschwindigkeit für variierende Katalysatoren zeigt. Bezugnehmend auf7 kann bestätigt werden, dass die anfängliche NOx-Speichergeschwindigkeit des Katalysators, in welchem LNT + Cu/CeO2 physisch vermischt worden sind, hoch ist im Vergleich zu anderen Bedingungen. -
8 ist eine Ansicht, die eine Messung der NO-Oxidationsperformance für variierende Katalysator-Kombinationen veranschaulicht. Bezugnehmend auf8 kann bestätigt werden, dass die NO-Oxidationsperformance durch Vermischen mit Cu/CeO2 verbessert wird, verglichen mit dem LNT-Katalysator. Demzufolge kann die Menge an gespeichertem Niedertemperatur-NOx weiter erhöht werden. -
9 ist eine Ansicht, die eine Messung einer H2-Erzeugnismenge für verschiedene Katalysator-Kombinationen veranschaulicht. H2 wird durch die nachfolgende Reaktionsgleichung erzeugt. - Wasser-zu-Gas-Umwandlungs-Reaktion: CO + H20 → CO2 + H2
- Durch
9 ist es bestätigt, dass die Menge an erzeugtem H2 im Cu/CeO2-Zusatz-Katalysator erhöht ist während der CO2/H2O-Injektion. -
10 ist eine Ansicht, die eine Messung einer Menge an erzeugtem H2 bei einer mager/fett-Bedingung zeigt. Bezugnehmend auf10 , wenn bei einer Abgas-Simulations-Bedingung evaluiert wird, ist die Menge an erzeugtem H2 beim Cu/CeO2-Zusatz-Katalysator bei fett-Bedingung erhöht. Das H2-Gas ist ein exzellentes Reduktionsmittel für die Niedertemperatur-NOx-Reduktion, und es kann angenommen werden, dass die Niedertemperatur-NOx-Reinigungsrate im Cu/CeO2-Zusatz-Katalysator exzellent sein würde, da es zur Verbesserung der Niedertemperatur-Performance effizient ist. - Wie oben beschrieben verbessert der Katalysator gemäß der vorliegenden Offenbarung die Niedertemperatur-Reinigungsperformance von Stickstoffoxiden durch physisches Vermischen des LNT-Katalysators und des Cu/CeO2-Katalysators.
- Obwohl diese Offenbarung in Verbindung damit beschrieben worden ist, was derzeit als beispielhafte Ausführungsform in Betracht gezogen ist, ist es zu verstehen, dass die Offenbarung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen limitiert ist. Im Gegenteil, es ist beabsichtigt, verschiedene Modifizierungen und äquivalente Einrichtungen innerhalb des Geists und Umfangs der beigefügten Ansprüche abzudecken.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
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- KR 20090086517 [0006]
- KR 20100061152 [0006]
- JP 7213902 [0006]
Claims (4)
- Katalysator zum Entfernen von Stickstoffoxiden, aufweisend: einen Magerfalle-NOx(LNT)-Katalysator und einen Cu/CeO2-Katalysator, der mit dem LNT-Katalysator physisch vermischt ist.
- Katalysator zum Entfernen von Stickstoffoxiden gemäß
Anspruch 1 , wobei ein Gewichtsverhältnis von LNT-Katalysator und Cu/CeO2-Katalysator 1:3 bis 3:1 ist. - Katalysator zum Entfernen von Stickstoffoxiden gemäß
Anspruch 1 oder2 , wobei ein Cu-Gehalt des Cu/CeO2-Katalysators 1 bis 5 Gew.-% ist. - Katalysator zum Entfernen von Stickstoffoxiden gemäß einem der
Ansprüche 1 -3 , wobei der LNT-Katalysator mindestens eines ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Pt, Ba und Ce aufweist.
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US62/775,209 | 2018-12-04 | ||
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---|---|
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Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH07213902A (ja) | 1994-02-04 | 1995-08-15 | Toyota Motor Corp | 排ガス浄化用触媒 |
KR20090086517A (ko) | 2006-10-06 | 2009-08-13 | 우미코레 아게 운트 코 카게 | 감소된 탈황 온도를 특징으로 하는 질소 산화물 저장 촉매 |
KR20100061152A (ko) | 2008-11-28 | 2010-06-07 | 현대자동차주식회사 | 디젤 연료분해 촉매 및 이를 구비한 질소산화물 흡장 촉매 |
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2019
- 2019-12-03 DE DE102019132874.8A patent/DE102019132874A1/de not_active Withdrawn
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