KR20230066347A - 배기 가스 수소 풍부화를 통한 백금-함유 촉매의 성능 향상 - Google Patents

배기 가스 수소 풍부화를 통한 백금-함유 촉매의 성능 향상 Download PDF

Info

Publication number
KR20230066347A
KR20230066347A KR1020237007986A KR20237007986A KR20230066347A KR 20230066347 A KR20230066347 A KR 20230066347A KR 1020237007986 A KR1020237007986 A KR 1020237007986A KR 20237007986 A KR20237007986 A KR 20237007986A KR 20230066347 A KR20230066347 A KR 20230066347A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
platinum
exhaust gas
component
gas stream
alumina
Prior art date
Application number
KR1020237007986A
Other languages
English (en)
Inventor
시앙 성
춘신 지
파벨 루빈스키
Original Assignee
바스프 코포레이션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 바스프 코포레이션 filed Critical 바스프 코포레이션
Publication of KR20230066347A publication Critical patent/KR20230066347A/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/101—Three-way catalysts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J35/00—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
    • B01J35/19—Catalysts containing parts with different compositions
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/92—Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases
    • B01D53/94—Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases by catalytic processes
    • B01D53/9445—Simultaneously removing carbon monoxide, hydrocarbons or nitrogen oxides making use of three-way catalysts [TWC] or four-way-catalysts [FWC]
    • B01D53/945—Simultaneously removing carbon monoxide, hydrocarbons or nitrogen oxides making use of three-way catalysts [TWC] or four-way-catalysts [FWC] characterised by a specific catalyst
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/92—Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases
    • B01D53/94—Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases by catalytic processes
    • B01D53/9495—Controlling the catalytic process
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J21/00—Catalysts comprising the elements, oxides, or hydroxides of magnesium, boron, aluminium, carbon, silicon, titanium, zirconium, or hafnium
    • B01J21/02—Boron or aluminium; Oxides or hydroxides thereof
    • B01J21/04—Alumina
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J21/00—Catalysts comprising the elements, oxides, or hydroxides of magnesium, boron, aluminium, carbon, silicon, titanium, zirconium, or hafnium
    • B01J21/06—Silicon, titanium, zirconium or hafnium; Oxides or hydroxides thereof
    • B01J21/066—Zirconium or hafnium; Oxides or hydroxides thereof
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/10—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of rare earths
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/38—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals
    • B01J23/40—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals of the platinum group metals
    • B01J23/44—Palladium
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/38—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals
    • B01J23/40—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals of the platinum group metals
    • B01J23/46—Ruthenium, rhodium, osmium or iridium
    • B01J23/464—Rhodium
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/38—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals
    • B01J23/54—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals combined with metals, oxides or hydroxides provided for in groups B01J23/02 - B01J23/36
    • B01J23/56—Platinum group metals
    • B01J23/63—Platinum group metals with rare earths or actinides
    • B01J35/023—
    • B01J35/04—
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J35/00—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
    • B01J35/40—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by dimensions, e.g. grain size
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J35/00—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
    • B01J35/50—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their shape or configuration
    • B01J35/56—Foraminous structures having flow-through passages or channels, e.g. grids or three-dimensional monoliths
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00—Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/0009—Use of binding agents; Moulding; Pressing; Powdering; Granulating; Addition of materials ameliorating the mechanical properties of the product catalyst
    • B01J37/0027—Powdering
    • B01J37/0036—Grinding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00—Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/02—Impregnation, coating or precipitation
    • B01J37/0215—Coating
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00—Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/02—Impregnation, coating or precipitation
    • B01J37/0215—Coating
    • B01J37/0219—Coating the coating containing organic compounds
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00—Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/02—Impregnation, coating or precipitation
    • B01J37/0215—Coating
    • B01J37/0228—Coating in several steps
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00—Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/02—Impregnation, coating or precipitation
    • B01J37/024—Multiple impregnation or coating
    • B01J37/0242—Coating followed by impregnation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00—Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/02—Impregnation, coating or precipitation
    • B01J37/024—Multiple impregnation or coating
    • B01J37/0244—Coatings comprising several layers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00—Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/02—Impregnation, coating or precipitation
    • B01J37/024—Multiple impregnation or coating
    • B01J37/0248—Coatings comprising impregnated particles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00—Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/02—Impregnation, coating or precipitation
    • B01J37/03—Precipitation; Co-precipitation
    • B01J37/038—Precipitation; Co-precipitation to form slurries or suspensions, e.g. a washcoat
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00—Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/08—Heat treatment
    • B01J37/082—Decomposition and pyrolysis
    • B01J37/088—Decomposition of a metal salt
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/18—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control
    • F01N3/20—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control specially adapted for catalytic conversion ; Methods of operation or control of catalytic converters
    • F01N3/2066—Selective catalytic reduction [SCR]
    • F01N3/2073—Selective catalytic reduction [SCR] with means for generating a reducing substance from the exhaust gases
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/18—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control
    • F01N3/20—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control specially adapted for catalytic conversion ; Methods of operation or control of catalytic converters
    • F01N3/2066—Selective catalytic reduction [SCR]
    • F01N3/208—Control of selective catalytic reduction [SCR], e.g. dosing of reducing agent
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/24—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by constructional aspects of converting apparatus
    • F01N3/28—Construction of catalytic reactors
    • F01N3/2803—Construction of catalytic reactors characterised by structure, by material or by manufacturing of catalyst support
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/24—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by constructional aspects of converting apparatus
    • F01N3/28—Construction of catalytic reactors
    • F01N3/2803—Construction of catalytic reactors characterised by structure, by material or by manufacturing of catalyst support
    • F01N3/2825—Ceramics
    • F01N3/2828—Ceramic multi-channel monoliths, e.g. honeycombs
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N9/00—Electrical control of exhaust gas treating apparatus
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M25/00—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture
    • F02M25/10—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture adding acetylene, non-waterborne hydrogen, non-airborne oxygen, or ozone
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2251/00—Reactants
    • B01D2251/20—Reductants
    • B01D2251/202—Hydrogen
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2255/00—Catalysts
    • B01D2255/10—Noble metals or compounds thereof
    • B01D2255/102—Platinum group metals
    • B01D2255/1021—Platinum
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2255/00—Catalysts
    • B01D2255/10—Noble metals or compounds thereof
    • B01D2255/102—Platinum group metals
    • B01D2255/1023—Palladium
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2255/00—Catalysts
    • B01D2255/10—Noble metals or compounds thereof
    • B01D2255/102—Platinum group metals
    • B01D2255/1025—Rhodium
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2255/00—Catalysts
    • B01D2255/20—Metals or compounds thereof
    • B01D2255/204—Alkaline earth metals
    • B01D2255/2042—Barium
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2255/00—Catalysts
    • B01D2255/20—Metals or compounds thereof
    • B01D2255/206—Rare earth metals
    • B01D2255/2063—Lanthanum
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2255/00—Catalysts
    • B01D2255/20—Metals or compounds thereof
    • B01D2255/206—Rare earth metals
    • B01D2255/2065—Cerium
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2255/00—Catalysts
    • B01D2255/20—Metals or compounds thereof
    • B01D2255/207—Transition metals
    • B01D2255/20715—Zirconium
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2255/00—Catalysts
    • B01D2255/20—Metals or compounds thereof
    • B01D2255/209—Other metals
    • B01D2255/2092—Aluminium
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2255/00—Catalysts
    • B01D2255/40—Mixed oxides
    • B01D2255/407—Zr-Ce mixed oxides
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2255/00—Catalysts
    • B01D2255/90—Physical characteristics of catalysts
    • B01D2255/902—Multilayered catalyst
    • B01D2255/9022—Two layers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2255/00—Catalysts
    • B01D2255/90—Physical characteristics of catalysts
    • B01D2255/903—Multi-zoned catalysts
    • B01D2255/9032—Two zones
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2255/00—Catalysts
    • B01D2255/90—Physical characteristics of catalysts
    • B01D2255/903—Multi-zoned catalysts
    • B01D2255/9035—Three zones
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2255/00—Catalysts
    • B01D2255/90—Physical characteristics of catalysts
    • B01D2255/908—O2-storage component incorporated in the catalyst
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2255/00—Catalysts
    • B01D2255/90—Physical characteristics of catalysts
    • B01D2255/915—Catalyst supported on particulate filters
    • B01D2255/9155—Wall flow filters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/40—Nitrogen compounds
    • B01D2257/404—Nitrogen oxides other than dinitrogen oxide
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/50—Carbon oxides
    • B01D2257/502—Carbon monoxide
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/70—Organic compounds not provided for in groups B01D2257/00 - B01D2257/602
    • B01D2257/702—Hydrocarbons
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2258/00—Sources of waste gases
    • B01D2258/01—Engine exhaust gases
    • B01D2258/012—Diesel engines and lean burn gasoline engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2330/00—Structure of catalyst support or particle filter
    • F01N2330/06—Ceramic, e.g. monoliths
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2370/00—Selection of materials for exhaust purification
    • F01N2370/02—Selection of materials for exhaust purification used in catalytic reactors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2510/00—Surface coverings
    • F01N2510/06—Surface coverings for exhaust purification, e.g. catalytic reaction
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2510/00—Surface coverings
    • F01N2510/06—Surface coverings for exhaust purification, e.g. catalytic reaction
    • F01N2510/068—Surface coverings for exhaust purification, e.g. catalytic reaction characterised by the distribution of the catalytic coatings
    • F01N2510/0682—Surface coverings for exhaust purification, e.g. catalytic reaction characterised by the distribution of the catalytic coatings having a discontinuous, uneven or partially overlapping coating of catalytic material, e.g. higher amount of material upstream than downstream or vice versa
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2510/00—Surface coverings
    • F01N2510/06—Surface coverings for exhaust purification, e.g. catalytic reaction
    • F01N2510/068—Surface coverings for exhaust purification, e.g. catalytic reaction characterised by the distribution of the catalytic coatings
    • F01N2510/0684—Surface coverings for exhaust purification, e.g. catalytic reaction characterised by the distribution of the catalytic coatings having more than one coating layer, e.g. multi-layered coatings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2560/00—Exhaust systems with means for detecting or measuring exhaust gas components or characteristics
    • F01N2560/02—Exhaust systems with means for detecting or measuring exhaust gas components or characteristics the means being an exhaust gas sensor
    • F01N2560/025—Exhaust systems with means for detecting or measuring exhaust gas components or characteristics the means being an exhaust gas sensor for measuring or detecting O2, e.g. lambda sensors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2560/00—Exhaust systems with means for detecting or measuring exhaust gas components or characteristics
    • F01N2560/06—Exhaust systems with means for detecting or measuring exhaust gas components or characteristics the means being a temperature sensor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2610/00—Adding substances to exhaust gases
    • F01N2610/04—Adding substances to exhaust gases the substance being hydrogen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2610/00—Adding substances to exhaust gases
    • F01N2610/14—Arrangements for the supply of substances, e.g. conduits
    • F01N2610/1406—Storage means for substances, e.g. tanks or reservoirs
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2610/00—Adding substances to exhaust gases
    • F01N2610/14—Arrangements for the supply of substances, e.g. conduits
    • F01N2610/1453—Sprayers or atomisers; Arrangement thereof in the exhaust apparatus
    • F01N2610/146—Control thereof, e.g. control of injectors or injection valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2900/00—Details of electrical control or of the monitoring of the exhaust gas treating apparatus
    • F01N2900/06—Parameters used for exhaust control or diagnosing
    • F01N2900/14—Parameters used for exhaust control or diagnosing said parameters being related to the exhaust gas
    • F01N2900/1402—Exhaust gas composition
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2900/00—Details of electrical control or of the monitoring of the exhaust gas treating apparatus
    • F01N2900/06—Parameters used for exhaust control or diagnosing
    • F01N2900/14—Parameters used for exhaust control or diagnosing said parameters being related to the exhaust gas
    • F01N2900/1404—Exhaust gas temperature
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A50/00—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE in human health protection, e.g. against extreme weather
    • Y02A50/20—Air quality improvement or preservation, e.g. vehicle emission control or emission reduction by using catalytic converters
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Catalysts (AREA)
  • Exhaust Gas Treatment By Means Of Catalyst (AREA)
  • Exhaust Gas After Treatment (AREA)

Abstract

본 개시내용은 백금-함유 3원 전환(TWC: three-way conversion) 촉매, 및 TWC 촉매를 사용하여 가솔린 엔진으로부터의 배기 가스 스트림을 처리하는 시스템을 제공한다. 시스템은 냉간 시동(cold-start) 기간 동안 제어된 양의 수소 가스를 백금-함유 TWC 촉매 물품 상류의 배기 가스 스트림으로 도입하도록 구성된다. 이러한 배기 가스 스트림을 처리하는 관련 방법이 추가로 제공된다. 이러한 시스템 및 방법은 가솔린 엔진으로부터의 가스상 배기 스트림에서 탄화수소, 일산화탄소, 및 질소 산화물 중 하나 이상의 수준을 감소시키는 데 유용하다.

Description

배기 가스 수소 풍부화를 통한 백금-함유 촉매의 성능 향상
본 출원은 2020년 9월 8일자로 출원된 미국 임시 특허 출원 제63/075,570호에 대한 우선권을 주장하며, 그의 내용은 그 전체가 본원에서 참고로 포함된다.
본 개시내용은 가솔린 엔진으로부터 배기 가스 스트림을 처리하기 위한 시스템에 관한 것이다. 본 개시내용은 또한 이러한 배기 가스 스트림의 정화 시에 백금-함유 3원 전환(TWC: three-way conversion) 촉매 물품의 촉매 활성을 개선하는 방법에 관한 것이다. 이러한 시스템 및 방법은 배기 가스 스트림의 환원제로서 수소를 사용한다.
가솔린 엔진의 배출물에 대한 환경 규제는 해마다 점점 더 엄격해지고 있다. 점점 더 엄격해지는 배출 규제로 인하여 낮은 엔진 배기 온도에서 질소 산화물(NOx), 일산화탄소(CO), 및 탄화수소(HC)배출물을 관리하기 위한 개선된 능력을 갖는 배출 가스 처리 시스템을 개발해야 할 필요성이 대두되어 왔다. 다양한 자동차 제조업체의 주요 과제는 비메탄계 탄화수소 및 질소 산화물(NMHC+NOx) 제한과 같은 새로운 환경 규제 제한을 충족하는 것이다.
가솔린 엔진으로 구동되는 차량의 배기 가스는 전형적으로는 하나 이상의 3원 전환(TWC) 자동차 촉매로 처리된다. TWC 촉매는 전형적으로는, 예를 들어 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 및 로듐(Rh)과 같은 백금족 금속(PGM: platinum group metal)을 포함하며, 화학량론적 공기/연료 조건에서 또는 그 근처에서 작동되는 엔진의 배기 가스에서 CO, HC, 및 NOx 오염 물질을 저감시키는 데 효과적이다. 화학량론적 조건을 초래하는 공기 대 연료의 정확한 비율은 연료 중 탄소 및 수소의 상대적인 비율에 따라 다르다. 공기 대 연료(A/F) 비는 내연 기관과 같은 연소 공정에 존재하는 공기 대 연료의 질량 비이다. 화학량론적 A/F 비는 가솔린과 같은 탄화수소 연료의 이산화탄소(CO2) 및 물로의 완전 연소에 상응한다. 따라서, 기호 λ는 소정의 연료에 대한 특정 A/F 비를 화학량론적 A/F 비로 나눈 결과를 나타내는 데 사용되며, 따라서 λ=1은 화학량론적 혼합물이고, λ >1은 연료-희박 혼합물이며, λ < 1은 연료-풍부 혼합물이다. 전자식 연료 분사 및 흡기 시스템을 갖추고 있는 종래의 가솔린 엔진은 희박 및 풍부 배기 사이를 신속하고 일정하게 순환하는 지속적으로 변화하는 공기-연료 혼합물을 제공한다. 그러나, TWC 촉매는 가솔린 엔진이 희박 상태에서 작동할 때 NOx 배출물을 감소시키는 데 효과적이지 않다. 또한, 내연 기관의 배기 가스를 처리하는 데 사용되는 촉매는 배기 가스 스트림과 TWC 촉매가 저온(즉, 약 150℃ 미만)에 있을 때의 처리 공정의 시작 시점의 기간인 소위 "냉간 시동(cold-start)" 기간 동안 덜 효과적이라는 것은 잘 알려져 있다. 이러한 저온에서, TWC 촉매는 일반적으로 HC, NOx, 및/또는 CO 배출물을 효과적으로 처리하기에 충분한 촉매 활성을 나타내지 않는다. 냉간 시동 조건에서 CO, HC, 및 NOx를 저감하기 위한 다양한 배기 가스 처리 시스템이 존재하지만, 낮은 엔진 배기 온도에서 CO, HC, 및 NOx 배출물을 관리할 수 있는 개선된 용량을 갖는 배출 가스 처리 시스템(들)을 개발할 필요성이 여전히 남아 있다.
본 개시내용은 일반적으로 가솔린 엔진의 배기 가스 스트림에서 오염 물질을 저감하기 위한 시스템 및 관련 방법을 제공하는 것으로, 이러한 시스템은 백금-함유 3원 전환(TWC) 촉매 물품 및 수소 가스(H2)의 공급원을 포함한다. 시스템은 냉간 시동 기간 동안 H2를 H2 공급원으로부터 TWC 촉매 물품 상류의 배기 가스 스트림으로 도입하도록 구성되며, H2 도입을 조절함으로써 배기 가스 스트림에 일산화탄소(CO) 대 H2의 부피의 비를 제공하도록 구성된다. 놀랍게도, 본 개시내용에 따르면, 냉간 시동 기간 동안 배기 가스 스트림에 소량의 수소 가스(H2)를 도입하면 TWC 활성이 향상되고 비-메탄계 탄화수소 및 질소 산화물(NMHC+ NOx) 배출물이 최소화될 수 있는 것으로 밝혀졌다. 놀랍게도, 본 개시내용에 따르면, 냉간 시동 기간 동안 배기 가스 스트림에 소량의 수소 가스(H2)를 도입하면 하부 코트 팔라듐(Pd)의 일부가 백금(Pt)으로 대체된 TWC 촉매를 사용할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 이러한 촉매는 Pd의 비용이 매우 고가라는 점에서는 유리하지만, CO 및 탄화수소(HC) 산화에 대해서는 열악한 냉간 시동 성능을 나타낸다.
따라서, 일 양태에서, 본 개시내용은 가솔린 엔진으로부터의 배기 가스 스트림에서 일산화탄소 및 탄화수소를 산화시키고 질소 산화물을 감소시키는 데 효과적인 백금-함유 3원 전환(TWC) 촉매 물품을 제공한다. TWC 백금-함유 촉매 물품은 기재, 기재의 적어도 일부 상에 배치된 제1 촉매 조성물, 및 기재의 적어도 일부 상에 배치된 제2 촉매 조성물을 포함한다. 제2 촉매 조성물은: 제1 팔라듐 성분 - 여기서 제1 팔라듐 성분의 적어도 일부는 제1 내화성 금속 산화물 지지체 상에 함침되고, 제1 팔라듐 성분의 적어도 다른 일부는 제1 산소 저장 성분 상에 함침됨 -; 및 제2 내화성 금속 산화물 지지체 상에 함침된 로듐 성분을 포함한다. 제1 촉매 조성물은: 제2 팔라듐 성분 - 여기서 제2 팔라듐 성분의 적어도 일부는 제3 내화성 금속 산화물 지지체 상에 함침되고, 제2 팔라듐 성분의 적어도 다른 일부는 제2 산소 저장 성분 상에 함침됨 -; 및 백금 성분 - 여기서 백금 성분은 제3 내화성 금속 산화물 지지체 상에 함침되거나, 또는 백금 성분은 제2 산소 저장 성분 상에 함침됨 -을 포함한다.
일부 실시형태에서, 제1 내화성 금속 산화물 지지체는 알루미나, 지르코니아, 티타니아, 세리아, 또는 이들의 조합을 포함한다. 일부 실시형태에서, 제1 내화성 금속 산화물 지지체는 희토류 금속 산화물로 도핑된다. 일부 실시형태에서, 제1 내화성 금속 산화물 지지체는 란타나-알루미나, 세리아-알루미나, 지르코니아-알루미나, 세리아-지르코니아-알루미나, 란타나-지르코니아-알루미나, 또는 란타나-네오디미아-알루미나이다. 일부 실시형태에서, 제1 내화성 금속 산화물 지지체는 란타나-알루미나이다.
일부 실시형태에서, 희토류 금속 산화물은 산화란타늄, 산화프라세오디뮴, 산화이트륨, 산화네오디뮴, 또는 이들의 임의의 조합이다.
일부 실시형태에서, 제1 산소 저장 성분은 세리아, 지르코니아, 알루미나, 실리카, 티타니아, 란타나, 바리아, 프라세오디미아, 이트리아, 사마리아, 가돌리니아, 또는 이들의 조합을 포함한다. 일부 실시형태에서, 제1 산소 저장 성분은 세리아를 포함한다. 일부 실시형태에서, 제1 산소 저장 성분은 지르코니아를, 세리아-지르코니아 복합체의 총 중량을 기준으로, 약 5 중량% 내지 약 20 중량%의 양으로 포함하는 세리아-지르코니아 복합체이다.
일부 실시형태에서, 로듐 성분은, 제2 층의 총 중량을 기준으로, 약 0.05 중량% 내지 약 5 중량%의 양으로 존재한다.
일부 실시형태에서, 제2 내화성 금속 산화물 지지체는 알루미나, 지르코니아, 티타니아, 세리아, 또는 이들의 조합을 포함한다.
일부 실시형태에서, 제2 내화성 금속 산화물 지지체는 희토류 금속 산화물로 도핑된다. 일부 실시형태에서, 제2 내화성 금속 산화물 지지체는 란타나-알루미나, 세리아-알루미나, 지르코니아-알루미나, 세리아-지르코니아-알루미나, 란타나-지르코니아-알루미나, 또는 란타나-네오디미아-알루미나이다. 일부 실시형태에서, 제2 내화성 금속 산화물 지지체는 알루미나이다.
일부 실시형태에서, 제3 내화성 금속 산화물 지지체는 알루미나, 지르코니아, 티타니아, 세리아, 또는 이들의 조합을 포함한다. 일부 실시형태에서, 제3 내화성 금속 산화물 지지체는 희토류 금속 산화물로 도핑된다. 일부 실시형태에서, 제3 내화성 금속 산화물 지지체는 란타나-알루미나, 세리아-알루미나, 지르코니아-알루미나, 세리아-지르코니아-알루미나, 란타나-지르코니아-알루미나, 또는 란타나-네오디미아-알루미나이다. 일부 실시형태에서, 제3 내화성 금속 산화물 지지체는 알루미나이다.
일부 실시형태에서, 제2 산소 저장 성분은 세리아, 지르코니아, 알루미나, 실리카, 티타니아, 란타나, 바리아, 프라세오디미아, 이트리아, 사마리아, 가돌리니아, 또는 이들의 조합을 포함한다. 일부 실시형태에서, 제2 산소 저장 성분은 세리아를 포함한다. 일부 실시형태에서, 제2 산소 저장 성분은 지르코니아, 란타나, 바리아, 프라세오디미아, 이트리아, 사마리아, 가돌리니아, 또는 이들의 조합 중 하나 이상을 추가로 포함한다. 일부 실시형태에서, 산소 저장 성분은 지르코니아를, 세리아-지르코니아 복합체의 총 중량을 기준으로, 약 5 중량% 내지 약 20 중량%의 양으로 포함하는 세리아-지르코니아 복합체이다.
일부 실시형태에서, 제1 촉매 조성물은 희토류 금속 산화물, 알칼리 토금속 성분, 또는 이들 둘 모두를 추가로 포함한다. 일부 실시형태에서, 희토류 금속 산화물은 산화란타늄, 산화프라세오디뮴, 산화이트륨, 산화네오디뮴, 또는 이들의 임의의 조합이다. 일부 실시형태에서, 알칼리 토금속 성분은, 제1 층의 총 중량을 기준으로, 약 1 중량% 내지 약 40 중량%의 양으로 존재한다. 일부 실시형태에서, 알칼리 토금속 성분은 칼슘, 마그네슘, 스트론튬, 바륨, 또는 이들의 조합을 포함한다. 일부 실시형태에서, 알칼리 토금속 성분은 황산바륨이다.
일부 실시형태에서, 백금 성분은 제3 내화성 금속 산화물 지지체 상에 함침된다. 일부 실시형태에서, 백금 성분은 제2 산소 저장 성분 상에 함침된다.
일부 실시형태에서, 제2 촉매 조성물은: 제1 팔라듐 성분의 일부로 함침된 란타나-도핑된 알루미나; 제1 팔라듐 성분의 일부로 함침된 세리아-지르코니아; 로듐 성분으로 함침된 알루미나; 및 산화란타늄을 포함한다.
일부 실시형태에서, 제1 촉매 조성물은: 백금 성분 및 제2 팔라듐 성분의 일부로 함침된 알루미나; 제2 팔라듐 성분의 일부로 함침된 세리아-지르코니아; 산화란타늄; 및 황산바륨을 포함한다.
일부 실시형태에서, 제1 촉매 조성물은: 제2 팔라듐 성분의 일부로 함침된 알루미나; 백금 및 제2 팔라듐 성분의 일부로 함침된 세리아-지르코니아; 산화란타늄; 및 황산바륨을 포함한다.
일부 실시형태에서, 기재는 금속 또는 세라믹 모놀리식 허니컴 기재이다. 일부 실시형태에서, 허니컴 기재는 벽-유동형(wall-flow) 필터 기재 또는 관류형(flow-through) 기재이다.
일부 실시형태에서, 제1 촉매 조성물은 제1 촉매 층으로서 기재 상에 배치되고, 제2 촉매 조성물은 제1 촉매 층 상에 배치된다.
또 다른 양태에서, 가솔린 엔진으로부터의 배기 가스 스트림을 처리하기 위한 시스템으로서, 상기 시스템은 상기 가솔린 엔진의 하류에 위치하고 그와 유체 연통하는 본원에서 개시되는 백금-함유 TWC 촉매 물품; 수소 가스(H2)의 공급원; 상기 백금-함유 TWC 촉매 물품의 상류에 위치하고 상기 배기 가스 스트림과 접촉하는 피드백 센서; 및 상기 피드백 센서와 연통하는 제어 유닛을 포함하고; 상기 시스템은 냉간 시동 기간 동안 H2를 상기 H2 공급원으로부터 상기 백금-함유 TWC 촉매 물품 상류의 상기 배기 가스 스트림으로 도입하도록 구성되며, 상기 피드백 센서는 H2 도입을 조절함으로써 배기 가스 스트림에 H2를 제공하도록 구성되는, 배기 가스 스트림을 처리하기 위한 시스템이 제공된다.
일부 실시형태에서, 피드백 센서는 광대역 산소 센서(UEGO) 및 온도 센서를 포함한다.
일부 실시형태에서, H2의 공급원은 온-보드(on-board) 압축 수소 용기이다.
일부 실시형태에서, H2의 공급원은 온-보드 수소 발생기이다. 일부 실시형태에서, 온-보드 수소 발생기는 알코올 개질기, 암모니아 분해 장치, 전기분해 장치, 연료 개질기, 배기 가스 개질기 또는 이들의 조합을 포함한다. 일부 실시형태에서, 온-보드 수소 발생기는 촉매 물품의 상류에 위치하고 배기 가스 스트림과 유체 연통하는 접촉 개질 물품을 포함하는 배기 가스 개질기이다. 일부 실시형태에서, 온-보드 수소 발생기는 알루미늄 나노입자, 알루미늄-니켈 나노입자, 알루미늄/실리카 나노입자, 알루미늄/코발트 나노입자, 알루미늄/마그네슘 나노입자, 알루미나 나노입자, 마그네슘 나노입자, 마그네슘-니켈 나노입자, 아연 나노입자, 수소화붕소나트륨, 또는 이들의 조합을 포함하는 도펀트를 포함하는 적어도 하나의 H2 생성 성분을 포함하며, 여기서 상기 적어도 하나의 H2 생성 성분은 가솔린 엔진에서 상기 연료의 연소 이전에 가솔린 연료에 첨가된다.
일부 실시형태에서, 시스템은 백금 함유 TWC 촉매 물품의 상류에 위치하고, 피드백 센서의 상류에 위치하고, 배기 가스 스트림 및 H2 공급원과 유체 연통하며, 제어 유닛과 연통하는 H2 주입 물품을 추가로 포함하며; 상기 H2 주입 물품은 H2를 H2 공급원으로부터 백금 함유 TWC 촉매 물품 상류의 배기 가스 스트림으로 도입하도록 구성된다.
일부 실시형태에서, 시스템은 백금 함유 TWC 촉매 물품의 상류 또는 그의 내부의 배기 가스 스트림의 온도가 약 90℃ 내지 약 190℃의 범위에 있을 때 H2를 배기 가스 스트림으로 도입하도록 구성된다.
일부 실시형태에서, 백금-함유 TWC 촉매 물품의 상류 또는 그의 내부의 배기 가스 스트림의 온도가 약 90℃ 내지 약 550℃ 범위에 있는 경우, 배기 가스 스트림은 약 20 부피% 이하의 H2를 함유한다. 일부 실시형태에서, 배기 가스 스트림은 약 2 부피% 이하의 H2를 함유한다. 일부 실시형태에서, 배기 가스 스트림은 약 0.5 부피% 이하의 H2를 함유한다.
일부 실시형태에서, 시스템은 일정 기간 동안 약 -0.345의 음의 값 이상의 소정의 Δλ 값을 제공하기 위해 H2를 배기 가스 스트림에 도입하도록 구성되며, 여기서:
Δλ =
Figure pct00001
― λ°;
λ°는 사전 정의된 값이며;
Figure pct00002
는 하기 수학식에 따라 일정 시간 동안 계산된 배기 가스 스트림의 평균 공연비(air-to-fuel ratio)이다:
Figure pct00003
상기 식에서, (N)은 이러한 시간 길이에 포함된 지점의 수이며, λ i 는 각각의 지점에서의 공연비이다.
일부 실시형태에서, Δλ는 약 -0.060이다. 일부 실시형태에서, Δλ는 약 -0.014이다.
추가의 양태에서, 가솔린 엔진으로부터의 배기 가스 스트림을 처리하는 방법으로서, 상기 방법은 배기 가스 스트림을, 가솔린 엔진의 하류에 위치하고 배기 가스 스트림과 유체 연통하는 본원에서 개시되는 백금-함유 TWC 촉매 물품과 접촉시키는 단계; 수소 가스(H2)를 H2 공급원으로부터 백금-함유 TWC 촉매 물품 상류의 배기 가스 스트림으로 도입하는 단계; 및 백금-함유 TWC 촉매 물품 상류의 배기 가스 스트림에서 H2의 부피 농도를 제어하는 단계를 포함하며, 상기 H2의 부피 농도를 제어하는 단계는 H2 도입을 조절하는 단계를 포함하는, 배기 가스 스트림을 처리하는 방법이 제공된다.
일부 실시형태에서, H2의 부피 농도를 제어하는 단계는 H2를 백금-함유 TWC 촉매 물품의 상류 또는 그의 내측의 배기 가스 스트림의 온도가 약 90℃ 내지 약 550℃ 범위에 있을 때 배기 가스 스트림으로 도입하는 단계를 포함한다. 일부 실시형태에서, H2의 부피 농도를 제어하는 단계는 H2를 백금-함유 TWC 촉매 물품의 상류 또는 그의 내측에 위치된 온도 센서의 판독 값이 약 90℃ 내지 약 190℃ 범위에 있을 때 배기 가스 스트림으로 도입하는 단계를 포함한다. 일부 실시형태에서, H2는 약 200초 동안 도입된다.
일부 실시형태에서, H2 도입을 조절하는 단계는: 피드백 센서, 온도 센서, 또는 이들의 조합으로부터 신호를 얻는 단계 - 여기서, 상기 피드백 센서는 상기 백금-함유 TWC 촉매 물품의 상류에 위치하고, 상기 온도 센서는 상기 백금-함유 TWC 촉매 물품의 상류 또는 내측에 위치하며, 상기 두 센서 모두 배기 가스 스트림과 접촉함 -; 및 상기 신호를 사용하여 도입되는 H2의 양을 제어하는 단계를 포함한다.
일부 실시형태에서, 배기 가스 스트림은 약 20 부피% 이하의 H2를 함유한다. 일부 실시형태에서, 배기 가스 스트림은 약 2 부피% 이하의 H2를 함유한다. 일부 실시형태에서, 배기 가스 스트림은 약 0.5 부피% 이하의 H2를 함유한다.
일부 실시형태에서, 방법은 H2를 배기 가스 스트림 내에 도입하는 단계; 및
약 -0.345의 음의 값 이상의 Δλ 값을 일정 기간 동안 제공하는 단계를 포함하며, 여기서:
Δλ =
Figure pct00004
― λ°;
λ°는 사전 정의된 값이며;
Figure pct00005
는 하기 수학식에 따라 일정 시간 동안 계산된 배기 가스 스트림의 평균 공연비이다:
Figure pct00006
상기 식에서, (N)은 이러한 시간 길이에 포함된 지점의 수이며, λ i 는 각각의 지점에서의 공연비이다.
일부 실시형태에서, Δλ는 약 -0.060이다. 일부 실시형태에서, Δλ는 약 -0.014이다.
일부 실시형태에서, H2를 도입하는 단계는 가솔린 엔진에서 가솔린의 연소 동안 H2를 생성하는 단계를 추가로 포함하며, 여기서 H2를 생성하는 단계는 적어도 하나의 H2 생성 성분을 연소 전에 가솔린에 첨가하는 단계를 포함한다. 일부 실시형태에서, 적어도 하나의 H2 생성 성분은 알루미늄 나노입자, 알루미늄-니켈 나노입자, 알루미늄/실리카 나노입자, 알루미늄/코발트 나노입자, 알루미늄/마그네슘 나노입자, 알루미나 나노입자, 마그네슘 나노입자, 마그네슘-니켈 나노입자, 아연 나노입자, 수소화붕소나트륨, 또는 이들의 조합을 포함하는 도펀트를 포함한다.
일부 실시형태에서, 방법은 가솔린 엔진 및 백금-함유 TWC 촉매 물품을 포함하는 차량을 추가로 포함한다. 일부 실시형태에서, 적어도 하나의 H2 생성 성분은 차량에 탑재된 가솔린에 첨가된다. 일부 실시형태에서, 적어도 하나의 H2 생성 성분은 차량의 외부에서 가솔린에 첨가된다.
일부 실시형태에서, H2를 도입하는 단계는 H2를 생성하는 단계를 추가로 포함하며, 여기서 H2를 생성하는 단계는 배기 가스 스트림을 배기 가스 개질 촉매와 접촉시키는 단계를 포함한다.
또 다른 추가의 양태에서, 가솔린 엔진으로부터의 가스상 배기 스트림에서 탄화수소, 일산화탄소, 질소 산화물, 및 미립자 물질 중 하나 이상의 수준을 감소시키는 방법으로서, 상기 방법은 상기 가스상 배기 스트림을 본원에서 개시되는 배기 가스 처리 시스템과 접촉시키는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.
또 다른 양태에서, 본원에서 개시되는 백금-함유 TWC 촉매 물품의 냉간 시동 촉매 성능을 향상시키는 방법으로서, 상기 방법은: 배기 가스 스트림을 백금-함유 TWC 촉매 물품과 접촉시키는 단계 - 상기 백금-함유 TWC 촉매 물품은 가솔린 엔진의 하류에 위치하며 배기 가스 스트림과 유체 연통함 -; 및 배기 가스 스트림 내의 H2 농도를 일정 기간 동안 제어하는 단계 - 상기 H2 농도를 제어하는 단계는 수소 가스(H2)를 H2 공급원에서 백금-함유 TWC 촉매 물품 상류의 배기 가스 스트림으로 도입하는 단계 -; 및 H2 도입을 조절하는 단계를 포함함 -를 포함하며, 여기서 H2 도입을 조절하는 단계는 피드백 센서 및/또는 온도 센서로부터 신호를 얻는 단계 - 피드백 센서는 백금-함유 TWC 촉매 물품의 상류에 위치하고, 온도 센서는 백금-함유 TWC 촉매 물품의 상류 또는 내측에 위치하며, 이들 두 센서는 배기 가스 스트림과 접촉함 -; 및 상기 신호를 사용하여 도입된 H2의 양을 제어하는 단계를 포함하는, 백금-함유 TWC 촉매 물품의 냉간 시동 촉매 성능을 향상시키는 방법이 제공된다.
일부 실시형태에서, 조절하는 단계는 H2를 온도 센서의 신호가 약 90℃ 내지 약 190℃ 범위의 온도에 상응할 때 배기 가스 스트림 내에 도입하는 단계를 포함한다. 일부 실시형태에서, 기간은 약 200초 이하이다.
본 개시내용의 이들 및 다른 특징 및 양태는 하기에서 간략하게 기술되는 첨부 도면과 함께 하기 상세한 설명으로부터 분명해질 것이다. 본 개시내용은 상기에서 언급된 실시형태 중 2개, 3개, 또는 4개 이상의 임의의 조합뿐만 아니라, 이러한 특징 또는 요소가 본원의 구체적인 실시형태 설명에서 명시적으로 조합되는지 여부에 관계없이, 본 개시내용에 개시된 임의의 2개, 3개, 또는 4개 이상의 특징 또는 요소의 조합을 포함한다. 본 개시내용은 이의 다양한 양태 및 실시형태 중 임의의 것에서 개시내용의 임의의 분리가능한 특징 또는 요소가 문맥이 달리 명확하게 지시하지 않는 한, 조합가능한 것으로 간주되도록 전체적으로 판독되도록 의도된다. 본 개시내용의 다른 양태는 다음으로부터 분명해질 것이다.
본 개시내용의 실시형태의 이해를 돕기 위해, 첨부된 도면을 참조하며, 여기서 참조 부호는 본 개시내용의 예시적인 실시형태의 구성요소들을 지칭한다. 도면은 단지 예시적이며, 본 개시내용을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본원에서 기술되는 개시내용은 첨부된 도면에서 제한이 아닌 예로서 예시된다. 도시의 단순성 및 명확성을 위해, 도면에 예시된 특징은 반드시 축척대로 도시되는 것은 아니다. 예를 들어, 일부 특징의 치수는 명확성을 위해 다른 특징에 비해 과장될 수 있다. 또한, 적절한 것으로 간주되는 경우, 상응하거나 또는 유사한 요소를 나타내기 위해 도면 간에 참조 라벨이 반복된다.
도 1a는 본 개시내용에 따른 산화 촉매 조성물을 포함할 수 있는 허니컴 유형 기재의 투시도이고;
도 1b는 도 1a에 비해 확대되고 도 1a의 기재의 단부 면에 평행한 평면을 따라 취해진 부분 단면도이며, 이는 기재가 유동-관통형 기재인 실시형태에서 도 1a에 도시된 복수의 가스 유동 통로의 확대도를 도시하고;
도 2는 대표적인 벽-유동형 필터의 절개도이고;
도 3a, 도 3b, 및 도 3c는 가능한 코팅 구성의 비제한적인 예시이고;
도 4는 본 개시내용에 따른 배출물 처리 시스템의 실시형태의 개략도이고;
도 5는 본 개시내용에 따른 배출물 처리 시스템의 다른 실시형태의 개략도이고;
도 6은 본 개시내용에 따른 배출물 처리 시스템의 또 다른 실시형태의 개략도이고;
도 7은 본 개시내용에 따른 배출물 처리 시스템의 추가의 실시형태의 개략도이고;
도 8은 본 개시내용에 따른 배출물 처리 시스템의 또 다른 추가의 실시형태의 개략도이고;
도 9는 수소(H2)를 도입 및 도입하지 않은 본 개시내용의 백금-함유 3원 전환(TWC) 촉매 실시형태에 대한 온화한 노화(mild aging) 후의 CO 및 HC 산화 및 NO 환원에 대한 촉매 성능을 나타내는 막대 그래프이고;
도 10은 H2를 도입 및 도입하지 않은 본 개시내용의 백금-함유 TWC 촉매 실시형태에 대한 심한 노화(severe aging) 후의 CO 및 HC 산화 및 NO 환원에 대한 촉매 성능을 나타내는 막대 그래프이고;
도 11은 H2를 도입 및 도입하지 않은 본 개시내용의 백금-함유 TWC 촉매 실시형태에 대한 온화한 노화 후의 CO 및 HC 산화 및 NO 환원에 대한 촉매 성능을 나타내는 막대 그래프이고;
도 12는 H2를 도입 및 도입하지 않은 본 개시내용의 백금-함유 TWC 촉매 실시형태에 대한 심한 노화 후의 CO 및 HC 산화 및 NO 환원에 대한 촉매 성능을 나타내는 막대 그래프이고;
도 13은 H2를 도입 및 도입하지 않은 본 개시내용의 백금-함유 TWC 촉매 실시형태에 대한 온화한 노화 후의 NO 환원 및 CO 및 HC 산화에 대한 촉매 성능을 나타내는 막대 그래프이고;
도 14는 H2를 도입 및 도입하지 않은 본 개시내용의 백금-함유 TWC 촉매 실시형태에 대한 심한 노화 후의 CO 및 HC 산화 및 NO 환원에 대한 촉매 성능을 나타내는 막대 그래프이고;
도 15는 희박 라이트-오프(lean light-off) 조건(λ=1.060) 하에 0.5% H2를 도입한 본 개시내용의 종래 및 Pt-함유 TWC 중증 노화 촉매 실시형태에 대한 HC 라이트-오프의 하향 온도 이동을 나타내는 선형 그래프이고;
도 16은 희박 라이트-오프 조건(λ=1.060) 하에 0.5% H2를 도입한 본 개시내용의 종래 및 Pt-함유 TWC 중증 노화 촉매 실시형태에 대한 CO 라이트-오프의 하향 온도 이동을 나타내는 선형 그래프이며;
도 17은 풍부 라이트-오프(rich light-off) 조건(λ=0.960) 하에 0.5% H2를 도입한 본 개시내용의 종래 및 Pt-함유 TWC 중증 노화 촉매 실시형태에 대한 NO 라이트-오프의 하향 온도 이동을 나타내는 선형 그래프이다.
본 개시내용은 일반적으로 가솔린 엔진의 배기 가스 스트림에서 오염 물질을 저감하기 위한 시스템을 관련 방법과 함께 제공한다. 이러한 시스템은 3중 금속(tri-metal) 3원 전환(TWC) 촉매 물품 및 수소 가스(H2)의 공급원을 포함한다. 시스템은 냉간 시동 기간 동안 H2를 H2 공급원으로부터 TWC 촉매 물품 상류의 배기 가스 스트림으로 도입하도록 구성되며, H2 도입을 조절함으로써 배기 가스 스트림에 CO 대 H2의 부피의 비를 제공하도록 구성된다. 놀랍게도, 본 개시내용에 따르면, 냉간 시동 기간 동안 배기 가스 스트림에 소량의 H2를 도입하면 하류 TWC 촉매 활성이 향상되고, 비-메탄계 탄화수소 및 질소 산화물(NMHC+ NOx) 배출물이 최소화될 수 있는 것으로 밝혀졌다. 놀랍게도, 냉간 시동 기간 동안 배기 가스 스트림에 소량의 H2를 도입하면 하부 코트 팔라듐(Pd)의 일부가 백금(Pt)으로 대체된 TWC 촉매를 사용할 수 있는 것으로 밝혀졌으며, 이는 비용 관점에서 매우 유리하다.
본 개시내용의 몇 가지 예시적인 실시형태를 설명하기 전에, 본 개시내용은 하기 설명에서 제시되는 구성 또는 공정 단계의 세부 사항으로 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 본 개시내용은 다른 실시형태가 가능하며, 다양한 방식으로 실시되거나 수행될 수 있다.
정의
본 개시내용에서 사용되는 용어와 관련하여, 하기 정의가 제공된다.
관사 "a" 및 "an"와 같은 단수 표현은 하나 또는 하나 초과(예를 들어 적어도 하나)의 문법적 대상 물품을 지칭하는 것으로 본원에서 사용된다.
본 명세서 전반에 걸쳐 사용되는 용어 "약"은 작은 변동을 기술하고 설명하기 위해 사용된다. 예를 들어, 용어 "약"은 ±5% 이하, 예를 들어 ±2% 이하, ±1% 이하, ±0.5% 이하, ±0.2% 이하, ±0.1% 이하 또는 ±0.05% 이하를 나타낼 수 있다. 본원의 모든 수치 값은 명시적으로 나타내었는지 여부와 상관없이 용어 "약"에 의해 수식된다. 용어 "약"에 의해 수식된 값은 물론 특정 값을 포함한다. 예를 들어, "약 5.0"은 5.0을 포함하여야 한다.
용어 "결합된(associated)"은 예를 들어 "장착된", "연결된", 또는 "연통된", 예를 들어 "전기적으로 연결된" 또는 "유체 연통된" 또는 기능을 수행하기 위한 방식으로 달리 연결된 것을 의미한다. 용어 "결합된"은 예를 들어 하나 이상의 다른 물품 또는 요소를 통해 직접적으로 결합되거나 또는 간접적으로 결합된 것을 의미할 수 있다.
용어 "촉매" 또는 "촉매 물질" 또는 "촉매 조성물" 또는 "촉매적 물질"은 반응을 촉진하는 물질을 지칭한다. 촉매 물품을 생산하기 위해, 하기 본원에서 개시되는 기재는 촉매 조성물로 코팅된다. 코팅은 "촉매 코팅 조성물" 또는 "촉매 코팅"이다. 용어 "촉매 조성물" 및 "촉매 코팅 조성물"은 동의어이다.
본 개시내용에서 용어 "촉매 물품"은 촉매 코팅 조성물을 갖는 기재를 포함하는 물품을 의미한다. 본 발명 시스템에서, 배기 가스 스트림은 상류 단부에서 유입되어 하류 단부에서 배출됨으로써 촉매 물품을 통과한다. 촉매 물품의 입구 단부는 "상류" 단부 또는 "전방" 단부와 동의어이다. 출구 단부는 "하류" 단부 또는 "후방" 단부와 동의어이다.
상세한 설명 및 청구범위에서 사용되는 용어 "구성된"은 용어 "포함하는" 또는 "함유하는"과 같이 개방형 용어인 것으로 의도된다. 용어 "구성된"은 다른 가능한 물품 또는 요소를 배제하는 것을 의미하지 않는다. 용어 "구성된"은 "개조된(adapted)"과 동등할 수 있다.
본 발명의 시스템은 하나 이상의 "기능성 물품" 또는 단순히 "물품"을 포함한다. 기능성 물품은 하나 이상의 특정 기능성 요소, 예를 들어 저장소, 튜브, 펌프, 밸브, 배터리, 회로, 계량기, 노즐, 반응기, 필터, 깔때기 등을 포함한다. 시스템은 통합되어 있다, 즉, 물품 및/또는 요소가 상호 연결되어 있다.
용어 "유체 연통하는(in fluid communication)"은 동일한 배기 라인에 위치된 물품을 지칭하는 데 사용된다, 즉, 공통 배기 스트림은 서로 유체 연통하는 물품을 통과한다. 유체 연통하는 물품은 배기 라인에서 서로 인접할 수 있다.
용어 "NOx"는 질소 산화물 화합물, 예를 들어 NO 및 NO2를 지칭한다.
코팅 층과 관련한 용어 "상에(on)" 및 "위에(over)"는 동의어로 사용될 수 있다. 용어 "~상에 직접"은 ~와 직접 접촉하는 것을 의미한다. 개시되는 물품은 특정 실시형태에서 제2 코팅 층 "상에" 하나의 코팅 층을 포함하는 것으로 나타내어지고, 상기 용어는 코팅 층들 사이의 직접 접촉이 요구되지 않는(즉, " 상에"가 "상에 직접"과 동일시되지 않음) 개재 층을 갖는 실시형태를 포함하는 것으로 의도된다.
촉매 물질 또는 촉매 워시코트에서 "지지체"는 침전, 결합, 분산, 함침 또는 다른 적합한 방법을 통해 금속(예를 들어, 백금족 금속)을 제공받는 물질, 안정화제, 촉진제, 결합제 등을 지칭한다. 예시적인 지지체는 하기 본원에서 기술되는 내화성 금속 산화물 지지체를 포함한다.
본원에서 사용되는 용어 "기재"는 촉매 조성물, 즉 촉매 코팅이 전형적으로는 워시코트의 형태로 상부에 배치되는 모놀리식(monolithic) 물질을 지칭한다. 하나 이상의 실시형태에서, 기재는 관류형 모놀리스 및 모놀리식 벽-유동형 필터이다. 워시코트는 액체 내에 특정된 고체 함량(예를 들어, 약 30 중량% 내지 약 90 중량%)의 촉매를 함유하는 슬러리를 제조하는 것에 의해 형성되며, 이어서 기재 상에 코팅되고, 건조되어 워시코트 층을 제공한다. "모놀리식 기재"에 대한 언급은 입구에서 출구까지 균질하고 연속적인 일체형 구조물을 의미한다.
"워시코트"는 허니컴 관류형 모놀리스 기재 또는 필터 기재와 같은 "기재"에 적용된 물질(예를 들어, 촉매)의 얇은 부착성 코팅의 당업계에서의 통상 의미를 갖고, 이는 충분히 다공성이어서 처리되는 가스 스트림의 이를 통한 통과를 허용한다. 본원에서 사용되고 문헌[Heck, Ronald and Farrauto, Robert, Catalytic Air Pollution Control, New York: Wiley-Interscience, 2002, pp. 18-19]에 기술되어 있는 바와 같이, 워시코트 층은 모놀리식 기재 또는 하부 워시코트 층의 표면 상에 배치된 물질의 조성적으로 구별되는 층을 포함한다. 기재는 하나 이상의 워시코트 층을 포함할 수 있으며, 각각의 워시코트 층은 어떤 방식으로든 상이할 수 있고/있거나(예를 들어, 입자 크기 또는 결정상과 같은 그의 물리적 특성이 상이할 수 있고) 화학적 촉매 기능이 상이할 수 있다.
달리 지시되지 않는 한, 모든 부 및 백분율은 중량 기준이다. "중량 퍼센트(중량%)"는 달리 지시되지 않는 한 임의의 휘발성 물질이 없는 전체 조성물을 기준으로, 즉 건조 고형분 함량을 기준으로 한다.
본원에서 기술되는 모든 방법은 본원에서 달리 지시되거나 문맥상 명백하게 모순되지 않는 한 임의의 적합한 순서로 수행될 수 있다. 본원에서 제공되는 임의의 및 모든 예, 또는 예시적인 언어(예를 들어, "~와 같은")의 사용은 단지 물질 및 방법을 더 잘 설명하기 위한 것이며 달리 청구되지 않는 한 범위에 제한을 두지 않는다. 본 명세서의 어떠한 언어도 개시된 물질 및 방법의 실시에 필수적인 것으로서 임의의 비-청구된 요소를 나타내는 것으로서 해석되어서는 안 된다.
본원에서 언급되는 모든 미국 특허 출원, 공개된 특허 출원 및 특허는 본원에서 참고로 포함된다.
I. 배기 가스 처리 시스템
본원에서 개시되는 배기 가스 처리 시스템은 일반적으로 3원 전환(TWC) 촉매 물품, 수소 가스(H2)의 공급원, 제어 유닛, 및 피드백 센서를 포함한다. 각각의 시스템 구성요소는 이하 본원에서 추가로 설명된다.
3원 전환(TWC) 촉매 조성물
본원에서 개시되는 배기 가스 처리 시스템은 일반적으로 3원 전환(TWC) 촉매 조성물을 포함하는 TWC 촉매 물품을 포함한다. 본원에서 사용되는 "TWC"는 HC, CO, 및/또는 NOx의 전환용으로 본 기술 분야에 알려진 임의의 촉매 조성물을 지칭한다. TWC 촉매는 전형적으로는 다공성 지지체 물질 상에 함침된, 예를 들어 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 및 로듐(Rh)과 같은 백금족 금속(PGM: platinum group metal)을 함유한다. Pt 및 Pd는 일반적으로 HC 및 CO 전환에 사용되는 반면, Rh는 NOx의 감소에 더 효과적이다. 선택적으로, TWC 촉매는 산소 저장 성분(OSC: oxygen storage component) 및 하나 이상의 내화성 금속 산화물 지지체를 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, TWC 촉매 물품은 백금-함유 TWC 촉매 조성물을 포함하는 백금-함유 TWC 촉매 물품이다. 본원에서 사용되는 "백금-함유 TWC 촉매 조성물"은 3개의 백금족 금속 성분을 함유하는 TWC 촉매 조성물을 지칭한다. 백금-함유 TWC 촉매 조성물의 개별 성분은 이하 본원에서 추가로 설명된다.
백금족 금속 성분
본원에서 개시되는 백금-함유 TWC 촉매 조성물은 3개의 백금족 금속을 포함한다. 백금족 금속(PGM) 성분은 PGM(Ru, Rh, Os, Ir, Pd, Pt, 및/또는 Au)을 포함하는 임의의 성분을 지칭한다. 예를 들어, PGM은 원자가가 0인 금속 형태로 존재할 수 있거나, 또는 PGM은 산화물 형태로 존재할 수 있다. 예를 들어, 특정 실시형태에서, PGM은 실질적으로(예를 들어, 적어도 약 90 중량%) 또는 전체적으로 금속 형태(0의 원자가)일 수 있거나, 또는 PGM은 산화물 형태일 수 있다. "PGM 성분"에 대한 언급은 임의의 원자가 상태의 PGM의 존재를 허용한다. 용어 "백금(Pt) 성분", "로듐(Rh) 성분", "팔라듐(Pd) 성분", "이리듐(Ir) 성분", "루테늄(Ru) 성분" 등은 촉매의 하소 또는 사용 시에 분해되거나 그렇지 않으면 촉매 활성 형태, 일반적으로는 금속 또는 금속 산화물로 전환되는 각각의 백금족 금속 화합물, 착물 등을 지칭한다. 본원에서 개시되는 백금-함유 TWC 촉매 조성물은 일반적으로 백금(Pt) 성분, 팔라듐(Pd) 성분, 및 로듐(Rh) 성분을 포함한다. 구체적으로는, 본원에서 개시되는 백금-함유 TWC 촉매 조성물에서, 통상적인 TWC 중에 전형적으로 존재하는 Pd의 일부는, 이하 본원에서 추가로 개시되는 바와 같이, Pt로 대체된다.
일부 실시형태에서, 존재할 수 있는 각각의 팔라듐 성분을 구별하기 위해 제1 팔라듐 성분 및 제2 팔라듐 성분이 언급된다. 이들 실시형태에서, 용어 "팔라듐 성분"은 팔라듐 성분과 관련하여 상기에서 정의된 것과 동일한 의미를 갖는다. 제2 팔라듐 성분은 제1 팔라듐 성분(예를 들어, 팔라듐 금속 및/또는 팔라듐 산화물)과 동일한 형태이거나 상이한 형태일 수 있다. 일부 실시형태에서, 제1 및 제2 팔라듐 성분은 동일한 형태일 것이다.
산소 저장 성분
본원에서 개시되는 백금-함유 TWC 촉매 조성물은 산소 저장 성분(OSC: oxygen storage component)을 포함한다. 본원에서 사용되는 용어 "산소 저장 성분"(OSC)은 다수의 원자가 상태를 갖고, 반응 조건 하에서 일산화탄소(CO) 및/또는 수소와 같은 반응물과 활발하게 반응한 후 산화 조건 하에서 산소 또는 질소 산화물과 같은 산화제와 반응할 수 있는 개체(entity)를 지칭한다. 산소 저장 성분의 예는 세리아에 더하여 희토류 산화물, 예를 들어 세리아, 란타나, 프라세오디미아, 네오디미아, 니오비아, 유로피아, 사마리아, 이테르비아, 이트리아, 지르코니아 및 이들의 혼합물을 포함한다.
일부 실시형태에서, 산소 저장 성분은 세리아, 지르코니아, 란타나, 이트리아, 네오디미아, 프라세오디미아, 니오비아, 및 이들의 조합으로부터 선택된다. 일부 실시형태에서, 산소 저장 성분은 세리아를 포함한다. 일부 실시형태에서, OSC는 세리아를, 예를 들어, 지르코늄(Zr), 티타늄(Ta), 란타늄(La), 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd), 니오븀(Nb), 이트륨(Y), 니켈(Ni), 망간(Mn), 철(Fe) 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 사마륨(Sm), 가돌리늄(Gd), 및 상기 금속 중 적어도 하나를 포함하는 조합을 포함하는 하나 이상의 다른 물질과 조합으로 포함한다. 또한, 예를 들어, 산화지르코늄(ZrO2), 티타니아(TiO2), 프라세오디미아(Pr6O11), 이트리아(Y2O3), 네오디미아(Nd2O3), 란타나(La2O3), 산화가돌리늄(Gd2O3), 또는 전술한 것들 중 적어도 하나를 포함하는 혼합물을 포함한 다양한 산화물(산소(O)와 조합된 금속)이 사용될 수도 있다. 이러한 조합은 혼합 산화물 복합체로 지칭될 수 있다. 예를 들어, "세리아-지르코니아 복합체"는 세리아 및 지르코니아를 그들 중 어느 하나의 성분의 양을 특정하지 않으면서 포함하는 복합체를 의미한다. 적합한 세리아-지르코니아 복합체는 세리아 함량이 약 5% 내지 약 95%(예를 들어, 적어도 약 5%, 적어도 약 15%, 적어도 약 30%, 적어도 약 40%, 적어도 약 50%, 적어도 약 60%, 적어도 약 70%, 적어도 약 80%, 적어도 약 90%, 또는 적어도 약 95%(상한 약 100%))의 세리아 함량을 갖는 복합체를 포함하지만, 이에 국한되지 않는다. 일부 실시형태에서, 적합한 세리아-지르코니아 복합체는 전체 세리아-지르코니아 복합체의 약 5 중량% 내지 약 75 중량% 범위의 세리아 함량을 갖는다. 일부 실시형태에서, 적합한 세리아-지르코니아 복합체는 전체 세리아-지르코니아 복합체의 약 10 중량% 내지 약 70 중량% 범위의 세리아 함량을 갖는다. 일부 실시형태에서, 산소 저장 성분은 지르코니아, 알루미나, 실리카, 티타니아, 란타나, 바리아, 프라세오디미아, 이트리아, 사마리아, 가돌리니아, 또는 이들의 조합 중 하나 이상을 추가로 포함한다(예를 들어, 이들로 도핑된다). 일부 실시형태에서, 산소 저장 성분은 세리아를 약 5 중량% 내지 약 75 중량%의 양으로 포함하는 세리아-지르코니아이다. 일부 실시형태에서, 산소 저장 성분은 지르코니아를, 세리아-지르코니아 복합체의 총 중량을 기준으로, 약 5 중량% 내지 약 20 중량%, 예를 들어 약 5 중량%, 약 10 중량%, 약 15 중량%, 또는 약 20 중량% 지르코니아 범위의 양으로 포함하는 세리아-지르코니아 복합체이다.
일부 실시형태에서, 제2 OSC가 언급된다. 이들 실시형태에서, "OSC"는 제1 OSC와 관련하여 정의된 것과 동일한 의미를 갖는다. 일부 실시형태에서, 제1 및 제2 OSC는 각각 독립적으로 선택된다. 일부 실시형태에서, 제1 및 제2 OSC는 동일하다.
일부 실시형태에서, 제1 산소 저장 성분은 세리아, 지르코니아, 알루미나, 실리카, 티타니아, 란타나, 바리아, 프라세오디미아, 이트리아, 사마리아, 가돌리니아, 또는 이들의 조합을 포함한다. 일부 실시형태에서, 제1 산소 저장 성분은 세리아를 포함한다. 일부 실시형태에서, 제1 산소 저장 성분은 지르코니아, 알루미나, 실리카, 티타니아, 란타나, 바리아, 프라세오디미아, 이트리아, 사마리아, 가돌리니아, 또는 이들의 조합 중 하나 이상을 추가로 포함한다. 일부 실시형태에서, 제1 산소 저장 성분은 지르코니아를, 세리아-지르코니아 복합체의 총 중량을 기준으로, 약 5 중량% 내지 약 20 중량%의 양으로 포함하는 세리아-지르코니아 복합체이다.
일부 실시형태에서, 제2 산소 저장 성분은 세리아, 지르코니아, 알루미나, 실리카, 티타니아, 란타나, 바리아, 프라세오디미아, 이트리아, 사마리아, 가돌리니아, 또는 이들의 조합을 포함한다. 일부 실시형태에서, 제2 산소 저장 성분은 세리아를 포함한다. 일부 실시형태에서, 제2 산소 저장 성분은 지르코니아, 알루미나, 실리카, 티타니아, 란타나, 바리아, 프라세오디미아, 이트리아, 사마리아, 가돌리니아, 또는 이들의 조합 중 하나 이상을 추가로 포함한다. 일부 실시형태에서, 제2 산소 저장 성분은 지르코니아를, 세리아-지르코니아 복합체의 총 중량을 기준으로, 약 5 중량% 내지 약 20 중량%의 양으로 포함하는 세리아-지르코니아 복합체이다.
내화성 금속 산화물
본원에서 개시되는 백금-함유 TWC 촉매 조성물은 내화성 금속 산화물 지지체를 포함한다. "내화성 금속 산화물 지지체"는 가솔린 또는 디젤 엔진 배기가스와 연관된 온도와 같은 고온에서 화학적 및 물리적 안정성을 나타내는 금속 산화물 지지체(예를 들어, PGM 및 기타 TWC 촉매 조성물 성분을 지지하기 위한 지지체)이다. 예시적인 내화성 금속 산화물 지지체는 알루미나, 실리카, 지르코니아, 티타니아, 세리아, 마그네시아, 및 이러한 용도로 알려진 기타 물질뿐만 아니라 원자 도핑된 조합을 포함하고 고 표면적 또는 활성화된 화합물, 예를 들어 활성화된 알루미나를 포함하는 이들의 물리적 혼합물 또는 화학적 조합을 포함한다. 실리카-알루미나, 세리아-지르코니아, 프라세오디미아-세리아, 알루미나-지르코니아, 알루미나-세리아-지르코니아, 란타나-알루미나, 란타나-지르코니아-알루미나, 바리아-알루미나, 바리아-란타나-알루미나, 바리아-란타나-네오디미아-알루미나 및 알루미나-세리아와 같은 금속 산화물의 조합이 포함된다. 일부 실시형태에서, 본원에서 개시되는 백금-함유 TWC 촉매 조성물에 유용한 내화성 금속 산화물 지지체는 도핑된 알루미나 물질, 예를 들어 Si-도핑된 알루미나 물질(1 내지 10% SiO2-Al2O3를 포함하지만, 이에 국한되지 않음), 도핑된 티타니아 물질, 예를 들어 Si-도핑된 티타니아 물질(1 내지 10% SiO2-TiO2를 포함하지만, 이에 국한되지 않음), 또는 도핑된 지르코니아 물질, 예를 들어 Si-도핑된 ZrO2(5 내지 30% SiO2-ZrO2를 포함하지만, 이에 국한되지 않음)이다.
내화성 금속 산화물 지지체는 "고 표면적" 내화성 금속 산화물 지지체로 지칭될 수 있다. "고 표면적 내화성 금속 산화물 지지체"는 구체적으로는 약 60 m2/g 초과, 보통은 200 m2/g 이하 또는 그 이상, 예를 들어 약 350 m2/g 이하의 BET 표면적을 일반적으로 나타내는 지지체 입자를 지칭한다. "BET 표면적"은 N2-흡착 측정에 의해 표면적을 측정하는 브루나우어-에메트-텔러(Brunauer-Emmett-Teller) 방법을 지칭하는 그의 일반적인 의미를 갖는다. 달리 언급되지 않는 한, "표면적"은 BET 표면적을 지칭한다. 일부 실시형태에서, 고 표면적 지지체 물질은 적어도 약 90 m2/g, 예를 들어 약 90 m2/g 내지 약 200 m2/g, 또는 약 90 m2/g 내지 약 150 m2/g의 표면적을 갖는다. 적합한 고 표면적 내화성 금속 산화물 지지체는 활성 알루미나를 포함하지만, 이에 국한되지 않는다. 이러한 활성 알루미나는 일반적으로 알루미나의 감마 상 및 델타 상의 혼합물이지만, 또한 상당한 양의 에타, 카파, 및 세타 알루미나 상을 함유할 수도 있다.
일부 실시형태에서, 내화성 금속 산화물 지지체는 희토류 금속 산화물로 개질("도핑")된다. 본원에서 사용되는 "희토류 금속 산화물"은 원소 주기율표에 정의된 바와 같은 스칸듐, 이트륨, 및 란타늄 계열, 예를 들어, Sc, Y, Zr, Nb, W, La, Ce, Nd, Pr, Sm, Eu, Gd, Nd, 또는 이들의 조합의 하나 이상의 산화물을 지칭한다. 예를 들어, 일부 실시형태에서, 내화성 금속 산화물 지지체는 산화란타늄, 산화프라세오디뮴, 산화이트륨, 산화네오디뮴, 또는 이들의 임의의 조합으로부터 선택되는 희토류 금속 산화물로 도핑된다. 일부 실시형태에서, 내화성 금속 산화물 지지체는 산화란타늄으로 도핑된다. 일부 실시형태에서, 내화성 금속 산화물 지지체를 개질하는 데 사용되는 도펀트의 양은, 내화성 금속 산화물 지지체의 중량을 기준으로, 약 0.5 중량% 내지 약 50 중량%의 범위일 수 있다. 이와 같이, 희토류 금속 산화물은 본원에서 달리 기술되는 바와 같이 함침 방법을 이용하여 미리 형성된 내화성 금속 산화물 물질에 첨가될 수 있다. 일부 실시형태에서, 내화성 금속 산화물 지지체는 혼합 산화물 형태의 희토류 금속 산화물을 포함한다.
일부 실시형태에서, 존재할 수 있는 각각의 내화성 금속 산화물 지지체를 구별하기 위해 제1 내화성 금속 산화물, 제2 내화성 금속 산화물, 또는 제3 내화성 금속 산화물이 언급된다. 이들 실시형태에서, "내화성 금속 산화물"은 내화성 금속 산화물과 관련하여 정의된 것과 동일한 의미를 갖는다. 일부 실시형태에서, 제1, 제2, 및 제3 내화성 금속 산화물은 각각 독립적으로 선택된다. 일부 실시형태에서, 제1, 제2, 및 제3 내화성 금속 산화물은 동일하다. 일부 실시형태에서, 제1 및 제2 내화성 금속 산화물은 동일하다. 일부 실시형태에서, 제1 및 제3 내화성 금속 산화물은 동일하다. 일부 실시형태에서, 제2 및 제3 내화성 금속 산화물은 동일하다.
일부 실시형태에서, 제1 내화성 금속 산화물 지지체는 알루미나, 지르코니아, 티타니아, 세리아, 또는 이들의 조합을 포함한다. 일부 실시형태에서, 제1 내화성 금속 산화물 지지체는 희토류 금속 산화물로 도핑된다. 일부 실시형태에서, 제1 내화성 금속 산화물 지지체는 란타나-알루미나, 세리아-알루미나, 지르코니아-알루미나, 세리아-지르코니아-알루미나, 란타나-지르코니아-알루미나, 또는 란타나-네오디미아-알루미나이다. 일부 실시형태에서, 제1 내화성 금속 산화물 지지체는 란타나-알루미나이다.
일부 실시형태에서, 제2 내화성 금속 산화물 지지체는 알루미나, 지르코니아, 티타니아, 세리아, 또는 이들의 조합을 포함한다. 일부 실시형태에서, 제2 내화성 금속 산화물 지지체는 희토류 금속 산화물로 도핑된다. 일부 실시형태에서, 제2 내화성 금속 산화물 지지체는 란타나-알루미나, 세리아-알루미나, 지르코니아-알루미나, 세리아-지르코니아-알루미나, 란타나-지르코니아-알루미나, 또는 란타나-네오디미아-알루미나이다. 일부 실시형태에서, 제2 내화성 금속 산화물 지지체는 알루미나이다.
일부 실시형태에서, 제3 내화성 금속 산화물 지지체는 알루미나, 지르코니아, 티타니아, 세리아, 또는 이들의 조합을 포함한다. 일부 실시형태에서, 제3 내화성 금속 산화물 지지체는 희토류 금속 산화물로 도핑된다. 일부 실시형태에서, 제3 내화성 금속 산화물 지지체는 란타나-알루미나, 세리아-알루미나, 지르코니아-알루미나, 세리아-지르코니아-알루미나, 란타나-지르코니아-알루미나, 또는 란타나-네오디미아-알루미나이다. 일부 실시형태에서, 제3 내화성 금속 산화물 지지체는 알루미나이다.
희토류 금속 산화물
일부 실시형태에서, 백금-함유 TWC 촉매 조성물은 희토류 금속 산화물을 포함하며, 이는 도핑된 내화 금속 산화물 지지체와 관련하여 전술한 희토류 금속 산화물과 동일하거나 상이할 수 있다. 예를 들어, 백금-함유 TWC 물품의 제1 촉매 조성물, 제2 촉매 조성물, 또는 이들 둘 모두는, 이하 본원에서 추가로 기술되는 바와 같이, 희토류 금속 산화물을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 희토류 금속 산화물은 산화란타늄, 산화프라세오디뮴, 산화이트륨, 산화네오디뮴, 또는 이들의 임의의 조합이다. 희토류 금속 산화물의 농도는 다양할 수 있지만, 전형적으로는, 희토류 금속 산화물을 포함하는 워시코트의 총 중량을 기준으로, 약 3 중량% 내지 약 10 중량%, 또는 약 3 중량% 내지 약 5 중량%일 것이다.
알칼리 토금속 성분
일부 실시형태에서, 백금-함유 TWC 촉매 조성물은 알칼리 토금속 성분을 포함한다. 본원에서 사용되는 용어 "알칼리 토금속 성분"은 하소 또는 촉매의 사용 시에 분해되거나 그렇지 않으면 촉매 활성 형태, 일반적으로 금속 산화물 또는 열 안정성 화합물로 전환되는 알칼리 토금속 화합물, 착물 등을 지칭한다. 본원에서 사용되는 용어 "알칼리 토금속"은 마그네슘, 칼슘, 스트론튬, 바륨과 같은 II족 금속을 지칭한다. 일부 실시형태에서, 알칼리 토금속 성분은 바륨, 칼슘, 마그네슘, 스트론튬, 또는 이들의 혼합물의 산화물 또는 황산염이다. 일부 실시형태에서, 알칼리 토금속 성분은 바륨의 산화물(즉, BaO)이다. 일부 실시형태에서, 알칼리 토금속 성분은 바륨의 황산염(즉, BaSO4)이다. 일부 실시형태에서, 알칼리 토금속 성분은 내화성 금속 산화물 지지체 상에 함침되거나 배치된다(즉, 내화성 금속 산화물 지지체는 알칼리 토금속 성분으로 도핑된다).
백금-함유 TWC 촉매 조성물 중에 존재하는 알칼리 토금속 성분의 농도는 다양할 수 있으며, 예를 들어, 이는, 알칼리 토금속 성분을 포함하는 워시코트의 총 중량을 기준으로, 약 1 중량% 내지 약 30 중량%, 또는 약 1 중량% 내지 약 20 중량%, 또는 약 1 중량% 내지 약 10 중량%일 수 있다.
백금-함유 3원 전환 촉매 물품
본원에서 개시되는 백금-함유 TWC 촉매 조성물은 본원에서 개시되는 백금-함유 TWC 촉매 조성물이 배치되는 기재를 포함한다. 예를 들어, 백금-함유 TWC 촉매 물품은 기재의 적어도 일부 상에 배치된 제1 촉매 조성물 및 기재의 적어도 일부 상에 배치된 제2 촉매 조성물을 포함한다.
제2 촉매 조성물은 제1 팔라듐 성분을 포함하며, 여기서 제1 팔라듐 성분의 적어도 일부는 제1 내화성 금속 산화물 지지체 상에 함침되고, 제1 팔라듐 성분의 적어도 다른 일부는 제1 산소 저장 성분 상에 함침되며, 이들 각각의 성분은 본원에서 전술된 바와 같다. 제2 촉매 조성물은 제2 내화성 금속 산화물 지지체 상에 함침된 로듐 성분을 추가로 포함하며, 이들 각각의 성분은 본원에서 전술된 바와 같다.
일부 실시형태에서, 제2 촉매 조성물은 제1 팔라듐 성분의 일부로 함침된 란타나-도핑된 알루미나; 제1 팔라듐 성분의 일부로 함침된 세리아-지르코니아; 및 로듐 성분으로 함침된 알루미나를 포함한다. 일부 실시형태에서, 제2 촉매 조성물은 희토류 금속 산화물을 추가로 포함한다. 일부 실시형태에서, 희토류 금속 산화물은 산화란타늄이다.
제2 촉매 조성물 중의 제1 Pd 성분의 농도는 다양할 수 있으며, 예를 들어 이는, 제2 촉매 조성물 중의 지지체(즉, 제1 및 제2 내화성 금속 산화물 및 OSC)의 총 중량에 대해, 약 0.1 중량% 내지 약 15 중량%, 또는 약 0.1 중량% 내지 1.5 중량%일 수 있다.
로듐 성분의 농도는 다양할 수 있으며, 예를 들어 이는, 그를 지지하는 지지체 물질(즉, 제2 내화성 금속 산화물 지지체)의 중량에 대해, 약 0.05 중량% 내지 약 5 중량%, 약 0.1 중량% 내지 약 3 중량%, 또는 약 0.5 중량% 내지 약 2.5 중량%일 수 있다.
제1 촉매 조성물은 제2 팔라듐 성분을 포함하며, 여기서 제2 팔라듐 성분의 적어도 일부는 제3 내화성 금속 산화물 지지체 상에 함침되고, 제2 팔라듐 성분의 적어도 다른 일부는 제2 산소 저장 성분 상에 함침되며, 이들 각각의 성분은 본원에서 전술된 바와 같다. 제2 팔라듐 성분은 제1 팔라듐 성분(예를 들어, 팔라듐 금속 및/또는 팔라듐 산화물)과 동일한 형태이거나 상이한 형태일 수 있다. 일부 실시형태에서, 제1 및 제2 팔라듐 성분은 동일한 형태일 것이다. 제2 Pd 성분의 농도는 다양할 수 있으며, 예를 들어 이는, 제1 촉매 조성물 중의 지지체(즉, 제3 내화성 금속 산화물 및 제2 OSC)의 총 중량에 대해, 약 0.1 중량% 내지 약 10 중량%일 수 있다.
일부 실시형태에서, 제1 촉매 조성물 중에 존재하는 제2 팔라듐 성분의 총량은 약 3 g/ft3 내지 약 200 g/ft3, 또는 약 3 g/ft3 내지 약 100 g/ft3, 또는 약 3 g/ft3 내지 약 30 g/ft3이다. 일부 실시형태에서, 제2 팔라듐 성분은 제3 내화성 금속 산화물 지지체 상에 약 1.5 g/ft3 내지 약 100 g/ft3, 또는 약 1.5 g/ft3 내지 약 50 g/ft3, 또는 약 1.5 g/ft3 내지 약 15 g/ft3의 양으로 존재하며, 제2 산소 저장 성분 상에 약 1.5 g/ft3 내지 약 100 g/ft3, 또는 약 1.5 g/ft3 내지 약 50 g/ft3, 또는 약 1.5 g/ft3 내지 약 15 g/ft3의 양으로 존재한다. 일부 실시형태에서, 제1 촉매 조성물 중에 존재하는 제2 팔라듐 성분의 총량은 약 31 g/ft3이다. 일부 실시형태에서, 제2 팔라듐 성분은 제3 내화성 금속 산화물 지지체 상에 약 15.5 g/ft3의 양으로 존재하며, 제2 산소 저장 성분 상에 약 15.5 g/ft3의 양으로 존재한다.
제1 촉매 조성물은 백금 성분을 추가로 포함하며, 여기서 백금 성분은 제3 내화성 금속 산화물 지지체 상에 함침되거나, 또는 제2 산소 저장 성분 상에 함침된다.
일부 실시형태에서, 백금 성분은 제3 내화성 금속 산화물 지지체 상에 함침된다. 일부 실시형태에서, 백금 성분은 제2 산소 저장 성분 상에 함침된다. Pt 성분의 농도는 다양할 수 있다. 예를 들어, 이는, 제1 촉매 조성물 중의 지지체(즉, 제3 내화성 금속 산화물 및 제2 OSC)의 총 중량에 대해, 약 0.1 중량% 내지 약 10 중량%일 수 있다.
일부 실시형태에서, 제1 촉매 조성물 중에 존재하는 백금 성분의 총량은 약 3 g/ft3 내지 약 200 g/ft3, 또는 약 3 g/ft3 내지 약 100 g/ft3, 또는 약 3 g/ft3 내지 약 30 g/ft3이다. 일부 실시형태에서, 백금 성분은 제3 내화성 금속 산화물 지지체 상에 약 3 g/ft3 내지 약 200 g/ft3, 또는 약 3 g/ft3 내지 약 100 g/ft3, 또는 약 3 g/ft3 내지 약 30 g/ft3의 양으로 존재한다. 일부 실시형태에서, 백금 성분은 제2 산소 저장 성분 상에 약 3 g/ft3 내지 약 200 g/ft3, 또는 약 3 g/ft3 내지 약 100 g/ft3, 또는 약 3 g/ft3 내지 약 30 g/ft3의 양으로 존재한다. 일부 실시형태에서, 백금 성분 대 제2 팔라듐 성분의 몰비는 약 2 내지 약 0.5이다. 일부 실시형태에서, 몰비는 약 1이다.
일부 실시형태에서, 제1 촉매 조성물은 각각 본원에서 전술된 바와 같은 희토류 금속 산화물, 알칼리 토금속 성분, 또는 이들 둘 모두를 추가로 포함한다.
일부 실시형태에서, 제1 촉매 조성물은 백금 성분 및 제2 팔라듐 성분의 일부로 함침된 알루미나; 제2 팔라듐 성분의 일부로 함침된 세리아-지르코니아를 포함하며; 산화란타늄; 및 황산바륨을 추가로 포함한다.
일부 실시형태에서, 알루미나는 백금 성분으로 약 3 g/ft3 내지 약 200 g/ft3, 또는 약 3 g/ft3 내지 약 100 g/ft3, 또는 약 3 g/ft3 내지 약 30 g/ft3의 농도로 함침되고; 알루미나는 제2 팔라듐 성분으로 약 1.5 g/ft3 내지 약 100 g/ft3, 또는 약 1.5 g/ft3 내지 약 50 g/ft3, 또는 약 1.5 g/ft3 내지 약 15 g/ft3의 농도로 함침되며; 세리아-지르코니아는 제2 팔라듐 성분으로 약 1.5 g/ft3 내지 약 100 g/ft3, 또는 약 1.5 g/ft3 내지 약 50 g/ft3, 또는 약 1.5 g/ft3 내지 약 15 g/ft3의 농도로 함침된다.
다른 실시형태에서, 알루미나는 제2 팔라듐 성분으로 약 1.5 g/ft3 내지 약 100 g/ft3, 또는 약 1.5 g/ft3 내지 약 50 g/ft3, 또는 약 1.5 g/ft3 내지 약 15 g/ft3의 농도로 함침되고; 알루미나는 백금 성분으로 약 3 g/ft3 내지 약 200 g/ft3, 또는 약 3 g/ft3 내지 약 100 g/ft3, 또는 약 3 g/ft3 내지 약 30 g/ft3의 농도로 함침되며; 세리아-지르코니아는 제2 팔라듐 성분으로 약 1.5 g/ft3 내지 약 100 g/ft3, 또는 약 1.5 g/ft3 내지 약 50 g/ft3, 또는 약 1.5 g/ft3 내지 약 15 g/ft3의 농도로 함침된다.
일부 실시형태에서, 본 개시내용의 촉매 물품은 본원에서 개시되는 제1 및 제2 촉매 조성물이 그 위에 배치된 기재를 포함한다. 적합한 적층 배열 및 기재는 이하 본원에서 추가로 설명된다.
기재
본원에서 기술되는 TWC 촉매 물품은 기재 상에 배치된 백금-함유 TWC 촉매 조성물을 포함할 수 있다. 유용한 기재는 길이, 직경 및 체적을 갖는 실린더와 유사한 3차원 기재이다. 형상은 실린더와 반드시 일치해야 하는 것은 아니다. 길이는 입구 단부 및 출구 단부에 의해 정의되는 축방향 길이이다.
기재는 자동차 촉매 제조에 전형적으로 사용되는 임의의 물질로 구성될 수 있으며, 예를 들어, 금속 또는 세라믹 허니컴 구조를 포함할 것이다. 기재는 전형적으로는 그 위에 워시코트 조성물이 적용되어 부착되고, 그에 의해 촉매 조성물에 대한 기재로서 작용하는 복수의 벽 표면을 제공한다.
세라믹 기재는 임의의 적합한 내화성 물질, 예를 들어 코디어라이트, 코디어라이트-α-알루미나, 알루미늄 티타네이트, 실리콘 티타네이트, 실리콘 카바이드, 실리콘 나이트라이드, 지르콘 멀라이트, 스포듀민, 알루미나-실리카-마그네시아, 지르콘 실리케이트, 실리마나이트, 마그네슘 실리케이트, 지르콘, 페탈라이트, α-알루미나, 알루미노실리케이트 등으로 제조될 수 있다.
기재는 또한 금속성으로, 하나 이상의 금속 또는 금속 합금을 포함할 수도 있다. 금속성 기재는 채널 벽에 개구 또는 "펀치 아웃(punch-out)"을 갖는 것과 같은 임의의 금속성 기재를 포함할 수 있다. 금속성 기재는 펠릿, 압축된 금속성 섬유, 골판지, 또는 모놀리식 발포체와 같은 다양한 형상으로 사용될 수 있다. 금속성 기재의 구체적인 예로는 내열성 비금속(base metal) 합금, 예를 들어 철이 실질적이거나 또는 주요 성분인 합금을 포함한다. 이러한 합금은 니켈, 크롬 및 알루미늄 중 하나 이상을 함유할 수 있으며, 이들 금속 전체는 합금의 적어도 약 15 중량%(중량 퍼센트), 예를 들어, 각각의 경우에 기재의 중량을 기준으로, 약 10 중량% 내지 약 25 중량%의 크롬, 약 1 중량% 내지 약 8 중량%의 알루미늄, 및 약 0 중량% 내지 약 20 중량%의 니켈을 포함할 수 있다. 금속성 기재의 예는 직선 채널을 갖는 기재; 가스 유동을 방해하고 채널들 사이의 가스 유동의 연통을 개방하기 위해 축 방향 채널을 따라 돌출된 블레이드를 갖는 기재; 및 블레이드 및 또한 채널들 사이의 가스 수송을 향상시켜 모놀리스 전체에 걸쳐 방사상 가스 수송을 가능하게 하는 구멍을 갖는 기재를 포함한다.
본원에서 개시되는 촉매 물품에 적합한 임의의 기재, 예를 들어 통로가 그를 통한 유체 유동에 대해 개방되도록 기재의 입구 또는 출구 면으로부터 그를 통하여 연장되는 미세하고 평행한 가스 유동 통로를 갖는 유형의 모놀리식 기재("관류형 기재")가 사용될 수 있다. 또 다른 적합한 기재는 기재의 종축을 따라 연장되는 복수의 미세하고 실질적으로 평행한 가스 유동 통로를 가지며, 예를 들어, 각각의 통로는 기재 본체의 하나의 단부에서 차단되고, 교번 통로는 반대쪽 단부 면에서 차단되는 유형의 기재("벽-유동형 필터")이다. 관류형 및 벽-유동형 기재는 또한, 예를 들어, 그의 전체 내용이 본원에서 참고로 포함되는 국제 공개 WO2016/070090호에 교시되어 있다. 일부 실시형태에서, 촉매 기재는 벽-유동형 필터 또는 관류형 기재 형태의 허니컴 기재를 포함한다. 일부 실시형태에서, 기재는 벽-유동형 필터이다. 관류형 기재 및 벽-유동형 필터는 이하 본원에서 추가로 논의될 것이다.
관류형 기재
일부 실시형태에서, 기재는 관류형 기재(예를 들어, 관류형 허니컴 모놀리식 기재를 포함하는 모놀리식 기재)이다. 관류형 기재는 통로가 유체 유동에 개방되도록 기재의 입구 단부에서 출구 단부까지 연장되는 미세하고 평행한 가스 유동 통로를 갖는다. 유체 입구에서 유체 출구까지 본질적으로 직선 경로인 통로는 통로를 통해 흐르는 가스가 촉매 물질과 접촉하도록 촉매 코팅이 그 위에 배치되는 벽에 의해 정의된다. 관류형 기재의 유동 통로는 얇은 벽형 채널이며, 이는 사다리꼴, 직사각형, 정사각형, 사인파형, 육각형, 타원형, 원형 등과 같은 임의의 적합한 단면 형상 및 크기의 것일 수 있다. 관류형 기재는 전술한 바와 같이 세라믹 또는 금속일 수 있다.
관류형 기재는, 예를 들어, 약 50 in3 내지 약 1200 in3의 부피, 약 60 제곱 인치당 셀(cpsi) 내지 약 500 cpsi 또는 약 900 cpsi 이하, 예를 들어 약 200 cpsi 내지 약 400 cpsi의 세포 밀도(입구 개구) 및 약 50 미크론 내지 약 200 미크론 또는 약 400 미크론의 벽 두께를 가질 수 있다.
촉매 물품은 촉매 코팅(예를 들어, 본원에서 개시되는 바와 같은 촉매 코팅)을 워시코트로서 기재에 적용함으로써 제공될 수 있다. 도 1a 및 도 1b는 본원에서 기술되는 촉매 조성물로 코팅된 관류형 기재 형태의 예시적인 기재(2)를 예시한다. 도 1a를 참조하면, 예시적 기재(2)는 원통형 형상 및 원통형 외부 표면(4), 상류 단부 면(6), 및 상류 단부 면(6)과 동일한 상응하는 하류 단부 면(8)을 갖는다. 기재(2)는 그 안에 형성된 복수의 미세하고 평행한 가스 유동 통로(10)를 갖는다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 유동 통로(10)는 벽(12)에 의해 형성되고 담체(2)를 통해 상류 단부 면(6)에서 하류 단부 면(8)까지 연장되며, 상기 통로(10)는 유체, 예를 들어 가스 스트림이 그의 가스 유동 통로(10)를 통해 담체(2)를 종방향으로 관통하여 유동할 수 있도록 방해받지 않는다. 도 1b에서 보다 쉽게 볼 수 있는 바와 같이, 벽(12)은 가스 유동 통로(10)가 실질적으로 정다각형 형상을 갖도록 치수화되고 구성된다. 도시된 바와 같이, 촉매 조성물은 경우에 따라 다수의 별개의 층에 적용될 수 있다. 예시된 실시형태에서, 촉매 조성물은 담체 부재의 벽(12)에 부착된 별개의 하부 층(14) 및 상기 하부 층(14) 위에 코팅된 제2 별개의 상부 층(16) 둘 모두로 이루어진다. 본 개시내용은 하나 이상(예를 들어, 2개, 3개, 또는 4개 이상)의 촉매 조성물 층으로 실시될 수 있고, 도 1b에 예시된 2층 실시형태에 제한되지 않는다. 추가의 코팅 구성이 본원에서 하기에 개시된다.
벽-유동형 필터 기재
일부 실시형태에서, 기재는 일반적으로 기재의 종축을 따라 연장되는 복수의 미세하고 실질적으로 평행한 가스 유동 통로를 갖는 벽-유동형 필터이다. 전형적으로, 각각의 통로는 기재 본체의 하나의 단부에서 차단되고, 교번 통로는 반대쪽 단부 면에서 차단된다. 이러한 모놀리식 벽-유동형 필터 기재는 단면의 평방 인치당 최대 약 900개 또는 그 이상의 유동 통로(또는 "셀")를 함유할 수 있지만, 훨씬 더 적게 사용될 수도 있다. 예를 들어, 기재는 약 7개 내지 600개, 보다 일반적으로는 약 100개 내지 약 400개의 제곱 인치당 셀("cpsi")을 가질 수 있다. 셀은 직사각형, 정사각형, 원형, 타원형, 삼각형, 육각형이거나, 또는 기타 다각형 형상인 단면을 가질 수 있다.
모놀리식 벽-유동형 필터 기재 단면의 단면도가 도 2에 도시되어 있으며, 교번하는 막힌 통로 및 개방 통로(셀)가 도시되어 있다. 차단되거나 또는 막힌 단부(100)는 개방 통로(101)와 교번하며, 각각의 대향 단부는 각각 개방 및 차단된다. 필터는 입구 단부(102) 및 출구 단부(103)를 갖는다. 다공성 셀 벽(104)을 가로 지르는 화살표는 개방 셀 단부로 유입되고, 다공성 셀 벽(104)을 통해 확산되어 개방 출구 셀 단부에서 배출되는 배기 가스 유동을 나타낸다. 막힌 단부(100)는 셀 벽을 통한 확산을 촉진한다. 각각의 셀 벽은 입구 측(104a) 및 출구 측(104b)을 가질 것이다. 통로는 셀 벽으로 둘러싸여 있다.
벽-유동형 필터 물품 기재는, 예를 들어, 약 50 cm3, 약 100 cm3, 약 200 cm3, 약 300 cm3, 약 400 cm3, 약 500 cm3, 약 600 cm3, 약 700 cm3, 약 800 cm3, 약 900 cm3 또는 약 1000 cm3 내지 약 1500 cm3, 약 2000 cm3, 약 2500 cm3, 약 3000 cm3, 약 3500 cm3, 약 4000 cm3, 약 4500 cm3 또는 약 5000 cm3의 체적을 가질 수 있다. 벽-유동형 필터 기재는 전형적으로는 약 50 미크론 내지 약 2000 미크론, 예를 들어 약 50 미크론 내지 약 450 미크론 또는 약 150 미크론 내지 약 400 미크론의 벽 두께를 갖는다.
벽-유동형 필터의 벽은 다공성이며, 일반적으로는 기능성 코팅의 배치 전에 적어도 약 50% 또는 적어도 약 60%의 벽 기공률 및 적어도 약 5 미크론의 평균 기공 크기를 갖는다. 예를 들어, 벽-유동형 필터 물품 기재는 일부 실시형태에서 약 ≥ 50%, 약 ≥ 60%, 약 ≥ 65% 또는 약 ≥ 70%의 기공률을 가질 것이다. 예를 들어, 벽-유동형 필터 물품 기재는 촉매 코팅의 배치 전에 약 50%, 약 60%, 약 65% 또는 약 70% 내지 약 75%, 약 80% 또는 약 85%의 벽 기공률 및 약 5 미크론, 약 10 미크론, 약 20 미크론, 약 30 미크론, 약 40 미크론 또는 약 50 미크론 내지 약 60 미크론, 약 70 미크론, 약 80 미크론, 약 90 미크론 또는 약 100 미크론의 평균 기공 크기를 가질 것이다. 용어 "벽 기공률" 및 "기재 기공률"은 동일한 것을 의미하며 상호 교환가능하다. 기공률은 기재의 공극 체적을 총 체적으로 나눈 비이다. 기공 크기는 질소 기공 크기 분석을 위한 ISO15901-2(정적 체적계) 절차에 따라 결정될 수 있다. 질소 기공 크기는 Micromeritics TRISTAR 3000 시리즈 기기에서 결정될 수 있다. 질소 기공 크기는 BJH(Barrett-Joyner-Halenda) 계산치 및 33개의 탈착점을 사용하여 결정될 수 있다. 유용한 벽-유동형 필터는 높은 기공률을 가져 작동 중에 과도한 배압 없이 촉매 조성물의 고 로딩을 허용한다.
코팅
기재를 촉매 조성물로 코팅하여 촉매 물품을 형성한다. 촉매 코팅은 기재의 적어도 일부에 배치되고 부착되는 하나 이상의 얇은 부착성 코팅 층을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 본 발명의 촉매 물품은 하나 이상의 촉매 층 및 하나 이상의 촉매 층의 조합의 사용을 포함할 수 있다. 촉매 물질은 기재 벽의 입구 측 단독, 출구 측 단독, 입구 측과 출구 측 둘 모두 상에 존재할 수 있거나, 벽 자체가 촉매 물질의 전부 또는 일부로 이루어질 수 있다. 촉매 코팅은 기재 벽 표면 상에 및/또는 기재 벽의 기공에, 즉, 기재 벽 "에" 및/또는 "상에" 있을 수 있다. 따라서, "기재 상에 배치된 촉매 코팅"이라는 어구는 임의의 표면 상, 예를 들어 벽 표면 상 및/또는 기공 표면 상을 의미한다. 촉매 코팅 층(들)은 본원에서 각각 기술되는 바와 같은 개별 촉매 조성물(예를 들어, 제1 및 제2 촉매 조성물)을 포함할 수 있다.
코팅은 "촉매 코팅 조성물" 또는 "촉매 코팅"이다. 용어 "촉매 조성물" 및 "촉매 코팅 조성물"은 동의어이다. 코팅 조성물은 결합제, 예를 들어 지르코닐 아세테이트와 같은 적합한 전구체 또는 지르코닐 니트레이트와 같은 임의의 다른 적합한 지르코늄 전구체로부터 유도되는 ZrO2 결합제를 사용하여 제조될 수 있다. 지르코닐 아세테이트 결합제는, 예를 들어, 촉매가 적어도 약 600°C, 예를 들어, 약 800°C의 고온 및 약 5% 이상의 고온 수증기 환경에 노출될 때 열 노화 후에도 균질하고 손상되지 않으며 온전하게 유지되는 코팅을 제공한다. 다른 잠재적으로 적합한 결합제는 알루미나 및 실리카를 포함하지만, 이에 국한되지 않는다. 알루미나 결합제는 알루미늄 산화물, 알루미늄 수산화물 및 알루미늄 옥시수산화물을 포함한다. 알루미늄 염 및 알루미나의 콜로이드 형태가 또한 사용될 수 있다. 실리카 결합제는 실리케이트 및 콜로이드성 실리카를 포함한 다양한 형태의 SiO2를 포함한다. 결합제 조성물은 지르코니아, 알루미나 및 실리카의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 다른 예시적인 결합제는 베마이트, 감마-알루미나, 또는 델타/세타 알루미나, 및 실리카 졸을 포함한다. 존재하는 경우, 결합제는 전형적으로는 총 워시코트 로딩의 약 1 중량% 내지 5 중량%의 양으로 사용된다. 대안적으로, 결합제는 지르코니아계 또는 실리카계, 예를 들어 지르코늄 아세테이트, 지르코니아 졸 또는 실리카 졸일 수 있다. 존재하는 경우, 알루미나 결합제는 전형적으로는 약 0.05 g/in3 내지 약 1 g/in3의 양으로 사용된다.
촉매 조성물은 전형적으로는 본원에서 개시되는 촉매 조성물을 함유하는 워시코트의 형태로 적용될 수 있다. 워시코트는 액체 비히클에서 특정의 고형물 함량(예를 들어, 약 10 중량% 내지 약 60 중량%)의 촉매 조성물을 함유하는 슬러리를 제조하고, 이어서 이것을 기재에 적용하고, 건조 및 하소시켜 코팅 층을 제공함으로써 형성된다. 다중 코팅 층이 적용되는 경우, 기재는 각각의 층이 적용된 후 및/또는 다수의 원하는 다중 층이 적용된 후 건조되고 하소된다. 하나 이상의 실시형태에서, 촉매 물질(들)은 워시코트로서 기재에 적용된다. 결합제가 또한 전술된 바와 같이 사용될 수 있다.
상기 언급된 촉매 조성물(들)은 일반적으로는 허니컴형 기재와 같은 촉매 기재를 코팅하기 위한 목적으로 물과 독립적으로 혼합되어 슬러리를 형성한다. 촉매 입자 이외에도, 슬러리는 결합제, 수용성 또는 수분산성 안정화제, 촉진제, 회합성(associative) 증점제, 및/또는 계면활성제(음이온성, 양이온성, 비이온성, 또는 양쪽성 계면활성제를 포함함)를 선택적으로 함유할 수 있다. 슬러리에 대한 전형적인 pH 범위는 약 3 내지 약 6이다. 따라서, 산성 또는 염기성 종을 슬러리에 첨가하여 pH를 조정할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시형태에서, 슬러리의 pH는 수산화암모늄 또는 수성 질산을 첨가함으로써 조정된다.
슬러리는 입자의 혼합과 균질 물질의 형성을 향상시키기 위해 밀링될 수 있다. 밀링은 볼 밀, 연속 밀 또는 다른 유사한 장비에서 수행될 수 있으며, 슬러리의 고형분 함량은, 예를 들어, 약 20 중량% 내지 약 60 중량%, 예를 들어 약 20 중량% 내지 약 40 중량%일 수 있다. 일 실시형태에서, 밀링 후 슬러리는 약 10 미크론 내지 약 40 미크론의 D90 입자 크기를 특징으로 한다. 일 실시형태에서, 밀링 후 슬러리는 약 10 미크론 내지 약 30 미크론의 D90 입자 크기를 특징으로 한다. 일 실시형태에서, 밀링 후 슬러리는 약 10 미크론 내지 약 15 미크론의 D90 입자 크기를 특징으로 한다.
이어서, 슬러리는 당업계에 알려진 임의의 워시코트 기술을 사용하여 촉매 기재 상에 코팅된다. 일 실시형태에서, 촉매 기재는 슬러리에 1회 이상 침지되거나 달리는 슬러리로 코팅된다. 이후, 코팅된 기재를 승온(예를 들어, 약 100℃ 내지 약 150℃)에서 일정 기간(예를 들어, 약 10분 내지 약 3시간) 동안 건조하고, 이어서, 예를 들어, 약 400℃ 내지 약 600℃에서, 전형적으로는 약 10분 내지 약 3시간 동안 가열함으로써 하소시킨다. 건조 및 하소 후, 최종 워시코트 코팅 층은 본질적으로 용매가 없는 것으로 볼 수 있다.
하소 후, 전술된 워시코트 기술에 의해 수득되는 촉매 로딩은 기재의 코팅 중량 및 비코팅 중량의 차이를 계산함으로써 측정될 수 있다. 당업자에게 명백한 바와 같이, 촉매 로딩은 슬러리 레올로지를 변경함으로써 조정될 수 있다. 또한, 워시코트를 생성하기 위한 코팅/건조/하소 공정은 코팅을 원하는 로딩 수준 또는 두께로 구축하기 위해 필요에 따라 반복될 수 있으며, 이는 하나 초과의 워시코트가 적용될 수 있음을 의미한다.
워시코트(들)는 상이한 코팅 층이 기재와 직접 접촉될 수 있도록 적용될 수 있다. 대안적으로, 하나 이상의 "언더코트(undercoat)"가 존재하여, 촉매 또는 흡착제 코팅 층 또는 코팅 층들의 적어도 일부는 기재와 직접 접촉하지 않을 수 있다(오히려, 언더코트와 접촉된다). 하나 이상의 "오버코트(overcoat)"가 또한 존재하여, 코팅 층 또는 코팅 층들의 적어도 일부는 가스 스트림 또는 대기에 직접 노출되지 않을 수 있다(오히려, 오버코트와 접촉된다).
상이한 코팅 층들은 "중간의" 중첩 구역없이 서로 직접 접촉될 수 있다. 대안적으로, 상이한 코팅 층들은 두 구역 사이의 "갭(gap)"으로 직접 접촉되지 않을 수 있다. "언더코트" 또는 "오버코트"의 경우, 상이한 층들 사이의 갭은 "중간 층"이라고 한다. 언더코트는 코팅 층 "아래(under)"의 층이고, 오버코트는 코팅 층 "위(over)"의 층이며, 중간 층은 두 코팅 층들 "사이(between)"의 층이다. 중간 층(들), 언더코트(들) 및 오버코트(들)은 하나 이상의 기능성 조성물을 함유할 수 있거나 또는 기능성 조성물을 함유하지 않을 수 있다.
촉매 코팅은 하나 초과의 얇은 접착성 층을 포함할 수 있으며, 층은 서로 접착되어 있고 코팅은 기재에 접착되어 있다. 전체 코팅은 개별 "코팅 층"을 포함한다. 촉매 코팅은 "구역화"되어 구역화된 촉매 층을 포함할 수 있다. 이는 또한 "측방향으로 구역화된" 것으로 기술될 수 있다. 예를 들어, 층은 입구 단부에서 출구 단부를 향해 기재 길이의 약 10%, 약 20%, 약 30%, 약 40%, 약 50%, 약 60%, 약 70%, 약 80%, 또는 약 90%를 연장할 수 있다. 다른 층은 출구 단부에서 입구 단부를 향해 기재 길이의 약 10%, 약 20%, 약 30%, 약 40%, 약 50%, 약 60%, 약 70%, 약 80%, 또는 약 90%를 연장할 수 있다. 상이한 코팅 층들은 서로 인접하고 서로 중첩되지 않을 수 있다. 대안적으로, 상이한 층들은 서로 일부가 중첩되어 제3 "중간" 구역을 제공할 수 있다. 중간 구역은, 예를 들어, 기재 길이의 약 5% 내지 약 80%, 예를 들어 기재 길이의 약 5%, 약 10%, 약 20%, 약 30%, 약 40%, 약 50%, 약 60% 또는 약 70%를 연장할 수 있다.
상이한 층들은 각각 기재의 전체 길이를 연장할 수 있거나, 각각 기재의 길이의 일부를 연장할 수 있으며, 부분적으로 또는 전체적으로 서로 위에 놓이거나 아래에 놓일 수 있다. 상이한 층들 각각은 입구 단부 또는 출구 단부로부터 연장될 수 있다.
본 개시내용의 특정 실시형태에서 촉매 물품 상에 존재하는 구역은 코팅 층의 관계에 의해 정의된다. 상이한 코팅 층들과 관련하여, 다수의 가능한 구역화 구성이 있다. 예를 들어, 상류 구역 및 하류 구역이 있을 수 있고, 상류 구역, 중간 구역, 및 하류 구역이 있을 수 있고, 4개의 상이한 구역 등이 있을 수 있다. 2개의 층이 인접하고 중첩하지 않는 경우, 상류 및 하류 구역이 있다. 2개의 층이 어느 정도 중첩하는 경우, 상류, 하류 및 중간 구역이 있다. 예를 들어, 코팅 층이 기재의 전체 길이를 연장하고 상이한 코팅 층들이 출구 단부로부터 특정 길이를 연장하여 제1 코팅 층의 일부와 중첩하는 경우, 상류 및 하류 구역이 있다. 본 발명의 촉매 코팅은 하나 초과의 동일한 층을 포함할 수 있다.
도 3a, 도 3b 및 도 3c는 2개의 코팅 층을 갖는 일부 가능한 코팅 층 구성을 도시한다. 코팅 층(201, 202)이 위에 배치되는 모놀리식 벽-유동형 필터 기재 벽(200)이 도시되어 있다. 이것은 단순화된 예시이며, 다공성 벽-유동형 기재의 경우, 기공 벽에 부착된 기공 및 코팅이 도시되어 있지 않고 막힌 단부도 도시되어 있지 않다. 도 3a에서, 코팅 층(201, 202)은 각각 기재의 전체 길이를 연장하며, 층(201)은 층(202)과 중첩한다. 도 3a의 기재는 구역화된 코팅 구성을 함유하지 않는다. 도 3b에서, 코팅 층(202)은 출구 단부로부터 기재 길이의 약 50%를 연장하고; 층(201)은 입구 단부로부터 길이의 50% 초과를 연장하고 층(202)의 일부와 중첩하여 상류 구역(203), 중간 구역(205) 및 하류 구역(204)을 제공한다. 도 3c에서, 코팅 층(201)은 입구 단부로부터 출구 단부까지 기재 길이의 약 50%를 연장하고; 코팅 층(202)은 출구 단부로부터 입구 단부까지 기재 길이의 약 50%를 연장하며, 코팅 층들은 서로 인접하여 입구 상류 구역(203) 및 출구 하류 구역(204)을 제공한다. 도 3a, 도 3b 및 도 3c는 벽-관통형 기재 상의 코팅 조성물을 예시하는 데 유용할 수 있다. 도 3a, 도 3b 및 도 3c는 아래에 기술되는 바와 같이 관류형 기재 상의 코팅 조성물을 예시하는 데 또한 유용할 수 있다. 이러한 코팅 층의 구성은 제한되지 않는다.
일부 실시형태에서, 제1 촉매 조성물은 워시코트의 형태로 기재 상에 배치되어 제1 층을 형성하며, 제2 촉매 조성물은 워시코트의 형태로 제1 촉매 조성물 층 상에 배치되어 제2(상부) 층을 형성한다.
II. 배기 가스 처리 시스템
수소 가스(H 2 ) 공급원
본원에서 개시되는 배기 가스 처리 시스템은 수소 가스(H2)의 공급원을 포함한다. 일부 실시형태에서, H2의 공급원은 압축 H2 탱크와 같은 온-보드 저장 용기이다. 수소는 기체, 액체 또는 고체 상태로 저장될 수 있다. 수소는 예를 들어 고체 상태로, 예를 들어 실리콘 또는 수소 저장 합금(hydrogen storage alloy) 내에 저장될 수 있다. 고체 상태 수소 저장은 예를 들어 미국 특허 출원 공개 제2004/0241507호, 제2008/0003470호, 제2008/0274873호, 제2010/0024542호, 제2011/0236790호에 교시되어 있으며, 이들 각각은 그 전체 내용이 본원에서 참고로 포함된다. 수소 저장 합금은 수소를 가역적으로 저장하고, 예를 들어 미국 특허 제5,407,761호 및 제6,193,929호, 및 미국 특허 출원 공개 제2016/0230255호에 개시되어 있으며, 이들 각각은 그 전체 내용이 본원에서 참고로 포함된다. 수소 저장 합금은 예를 들어 개질된 ABx 유형 금속 수소화물(MH) 합금으로서, 상기 식에서 일반적으로 A는 수소화물 형성 원소이고 B는 약한 또는 비수소화물 형성 원소이다. A는 일반적으로 약 4개 이하의 원자가 전자(valence electron)를 갖는 더 큰 금속 원자이며, B는 일반적으로 약 5개 이상의 원자가 전자를 갖는 더 작은 금속 원자이다. 적합한 ABx 합금은 x가 약 0.5 내지 약 5인 것을 포함한다. 본 발명의 합금은 수소를 가역적으로 흡착(충전) 및 탈착(방출)할 수 있다. ABx 유형 합금은 예를 들어 하기 범주(간단한 예를 포함함)의 것들, 예를 들어 AB(HfNi, TiFe, TiNi), AB2(ZrMn2, TiFe2), A2B(Hf2Fe, Mg2Ni), AB3(NdCo3, GdFe3), A2B7(Pr2Ni7, Ce2Co7), 및 AB5(LaNi5, CeNi5)이다.
다른 실시형태에서, H2의 공급원은 온-보드 H2 발생기이다. 일부 실시형태에서, 배기 가스 처리 시스템은 알코올 개질기, 암모니아 분해 장치, 전기분해 장치, 연료 개질기, 배기 가스 개질기, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있는 온-보드 H2 발생기를 포함하거나 또는 이와 결합된다. 이러한 실시예에서, H2는 요구에 따라 생성되거나, 생성되고 이후에, 예를 들어, 온-보드 저장 용기에 저장될 수 있다.
일부 실시형태에서, 온-보드 H2 발생기는 수소를 발생하도록 구성된 물 분해(water-splitting) 물품 또는 암모니아 분해 물품을 포함한다. 물 분해 물품은 전기화학 반응을 통해 물을 수소와 산소로 분리하도록 구성된 전해 전지를 포함할 수 있다. 예를 들어, 물 분해 물품은 전기화학 반응을 개시하도록 구성된 광전극을 포함할 수 있다. 광전극은 광원과 결합된다. 일부 실시형태에서, 광원은 발광 다이오드(LED), 예를 들어 청색 발광 다이오드이다. 광원은 배터리와 결합될 수 있다. 배터리는 예를 들어 주 충전식 차량 배터리(main rechargeable vehicle battery)이다. 수소 발생 장치는 예를 들어 미국 특허 출원 공개 제2007/0246351호 및 제2008/0257751호에 개시되어 있으며, 이들 각각은 그 전체 내용이 본원에서 참고로 포함된다.
일부 실시형태에서, 온-보드 수소 발생기는 암모니아를 질소와 수소로 분해하도록 구성된 촉매 물품("촉매 반응기")(암모니아 분해 물품)을 포함할 수 있다. 암모니아의 공급원은 온-보드 암모니아 저장조에서 온 것일 수 있거나, 또는 예를 들어 기체 또는 액체 암모니아를 포함하도록 개조된(및 필요에 따라 암모니아를 방출하도록 개조된) 탱크에 탑재된 암모니아로부터 온 것일 수 있다. 예를 들어, 시스템은 암모니아를 수용하고 암모니아를 방출하도록 개조된 탱크(암모니아 저장 탱크) 및 암모니아를 수소와 질소로 분해하도록 구성된 촉매 반응기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 시스템은 암모니아 생성 시스템 및 암모니아를 수소와 질소로 분해하도록 구성된 촉매 반응기를 포함할 수 있다. 수소 발생 및 저장에 적합한 시스템은, 예를 들어, 미국 특허 출원 공개 제2020/0102871호, 제2020/0032689호, 제2020/0032688호 및 제2020/0032686호; 및 국제 특허 출원 공개 WO2018185665호 및 WO2018185655호에 개시되어 있으며; 이들 모두는 BASF Corp.에 속하고, 이들 각각은 그 전체 내용이 본원에서 참고로 포함된다.
일부 실시형태에서, 온-보드 수소 발생기는 고온 배기 가스 성분(예를 들어, 미연소 탄화수소 연료)을 특정 금속 산화물 촉매 상에서의 산화를 통해 일산화탄소 및 수소로 분해하도록 구성된 촉매 물품("촉매 개질기")을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 촉매 개질기는 TWC 촉매 물품의 상류에 위치하며 배기 가스 스트림과 유체 연통한다.
일부 실시형태에서, 온-보드 수소 발생기는 알루미늄 나노입자, 알루미늄-니켈 나노입자, 알루미늄/실리카 나노입자, 알루미늄/코발트 나노입자, 알루미늄/마그네슘 나노입자, 알루미나 나노입자, 마그네슘 나노입자, 마그네슘-니켈 나노입자, 아연 나노입자, 수소화붕소나트륨, 또는 이들의 조합을 포함하는 도펀트를 포함하는 적어도 하나의 H2 생성 성분을 포함하며, 여기서 상기 적어도 하나의 H2 생성 성분은 가솔린 엔진에서 상기 연료의 연소 이전에 가솔린 연료에 첨가된다.
이러한 나노 입자는 연료와 혼합되어 가솔린 내연 기관의 연소실에서 연소될 때 이러한 입자가 없을 때 생성되는 정상적인 소량을 초과하는 많은 양의 수소를 생성한다. 일부 실시형태에서, 적어도 하나의 H2 생성 성분은 차량에 탑재된 가솔린에 첨가된다. 일부 실시형태에서, 적어도 하나의 H2 생성 성분은 차량의 외부에서 가솔린에 첨가된다.
H 2 주입 물품
일부 실시형태에서, 본원에서 개시되는 배기 가스 처리 시스템은 H2 주입 물품, 예를 들어 H2 공급원과 유체 연통하여 배기 가스 스트림이 H2 공급원으로 유입되는 것을 방지하도록 구성되고, H2를 배기 가스 스트림 내로 도입하도록 구성된 밸브를 포함한다. H2는 필요에 따라 원하는 환원 기능을 수행하기 위해 배기 가스 스트림으로 "펄스"되거나 간헐적으로 방출될 수 있다. H2 주입 물품은 TWC 촉매 물품과 유체 연통하며, H2를 TWC 촉매 물품 상류의 배기 가스 스트림으로 도입하도록 구성된다. H2 주입 물품은 전형적으로 내연 기관의 하류에 있고 그와 유체 연통하며, 피드백 센서 및 제어 유닛 중 하나 이상과 연통할 것이다. 일부 실시형태에서, H2 주입 물품은 TWC 촉매 물품의 상류에 위치하고, 피드백 센서의 상류에 위치하고, 배기 가스 스트림 및 H2 공급원과 유체 연통하고, 제어 유닛과 연통하며, H2를 H2 공급원으로부터 TWC 촉매 물품 상류의 배기 가스 스트림으로 도입하도록 구성된다.
피드백 센서
배기 가스 스트림으로의 H2의 도입(예를 들어, 주입)은 배기 가스 스트림 중의 H2의 농도를 가연성 한계 아래로 유지하기 위해 제어된다. H2의 농도는 배기 가스 스트림 중의 H2 농도를 모니터링하고 그에 따라 H2의 도입을, 예를 들어, 적절한 방법, 예를 들어 질량 분석법을 통한 직접 측정, 미리 결정된 사전 설정 값, 또는 센서를 사용한 대체 측정에 의해 조정(즉, H2 도입을 조절)함으로써 제어할 수 있다. 질량 분석법을 사용한 직접 측정은 잘 확립되어 있지만, 추가적인 공간 요건, 높은 시스템 비용, 증가된 소음 수준, 서비스의 복잡성 등으로 인해 그의 승용 차량의 온-보드 사용은 비실용적이다. 사전 설정 값의 활용은 이전에 측정된 일련의 파라미터(상이한 종의 농도, 유속, 등)에 기초하여 원하는 H2 유량을 계산하는 것을 기반으로 할 것이다. 이는 차량이 매번 정확하게 동일한 방식으로 작동하는 것을 필요로 하며, 많은 상황(외부 온도, 공기 습도, 엔진의 노후 정도 등에서의 차이) 하에 부정확할 수 있다. 전형적으로, 가장 간단하고 가장 비용 효율적이며 신뢰할 수 있는 방법은 센서를 사용하는 방법이다.
따라서, 일부 실시형태에서, 본원에서 개시되는 배기 가스 처리 시스템은 피드백 센서를 포함한다. 피드백 센서는 광대역 산소 센서(UEGO)와 같은 산소 센서일 수 있다. O2 센서(예를 들어, 광대역 UEGO)를 사용하는 것은 배기 가스의 산화성(희박 혼합물) 및 환원성(풍부 혼합물) 특성과 관련하여 배기 가스의 합계 조성을 근사화하는 신뢰할 수 있는 방법임이 입증되었다. 배기 가스에 H2를 주입하면 O2 센서의 판독값에 직접적인 영향을 미쳐 리치 시프트(rich shift)(λ < 1)를 생성할 것이다. 몇 가지 잘 정립된 공식(예를 들어, 문헌[Brettschneider, J. (1997), SAE Technical Papers 972989] 참조)을 사용하여 소정의 배기 가스 조성에 대한 공연비(λ)를 계산할 수 있다. 따라서, 배기 가스 중의 산화제 및 환원제(특히 H2)의 농도를 O2 센서의 판독값과 쉽게 연관시킬 수 있다.
일부 실시형태에서, 배기 가스 처리 시스템은 촉매 물품의 상류에 위치하여 배기 가스 스트림과 접촉하거나, 촉매 물품 내에 위치하여 배기 가스 스트림과 접촉하거나, 또는 이들 둘 모두인, 배기 가스 스트림의 온도를 검출하기 위한 온도 센서, 예를 들어, 열전쌍을 추가로 포함한다.
일부 실시형태에서, 피드백 센서 및/또는 온도 센서는 제어 유닛과 통신한다. 이러한 실시형태에서, 피드백 센서, 온도 센서, 또는 이들 둘 모두로부터의 신호는 배기 가스 스트림으로의 H2의 도입을 조절하기 위해 제어 유닛에 공급된다.
제어 유닛
배기 가스 처리 시스템은 엔진 전자 관리 알고리즘(전자 관리 시스템 또는 전자 제어 유닛(ECU: electronic control unit))에 통합될 수 있다. 예를 들어, 피드백 센서 및 온도 센서는 제어 유닛에 신호를 제공하고, 이는 이어서 H2 도입, H2 생성, 및 공연비와 같은 엔진 파라미터 중 하나 이상을 조정할 수 있다. 일부 실시형태에서, 제어 유닛은 H2 주입 물품과 통신(즉, 신호를 제공)하여 밸브를 개방하거나 폐쇄하여 각각 H2 도입을 시작하거나 또는 중지시킬 수 있다.
제어 유닛은 지속적으로 또는 주기적으로 수많은 파라미터를 모니터링하고 수많은 계산을 수행한다. 이들 중 일부는 공연비와 관련이 있다. 예를 들어 차량 제조업체는 아래 두 가지 제어 파라미터: λ°로 지정된 사전 정의된 값의 공연비 및
Figure pct00007
로 지정된 평균 공연비를 정의한다. 전자의 파라미터(λ°)는 수학적 모델링, 실험적 측정, 차량의 전자 제어 유닛(ECU)에 의한 판독의 결과로서의 자동 생성 등을 통해 얻을 수 있지만, 이에 국한되지 않는다. 후자의 파라미터(
Figure pct00008
)는 하기 수학식에 따라 소정 기간의 시간 동안 생성된 모든 공연비 측정치의 합계
Figure pct00009
를 해당 기간에 포함된 측정 횟수(N)로 나누어 계산한다:
Figure pct00010
상기 식에서, λ i 는 각각의 지점에서의 공연비이다.
Figure pct00011
와 λ°의 차이는 Δλ로 지정되며, 하기 수학식에 따라 제어 유닛에 의해 계산된다.
Δλ =
Figure pct00012
― λ°.
전형적인 가솔린 엔진의 경우, 약 -0.345의 Δλ는 배기 가스 중의 H2의 약 20 부피%에 해당하고, 약 -0.060의 Δλ는 배기 가스 중의 H2의 약 2 부피%에 해당하며, 약 -0.014의 Δλ는 배기 가스 중의 H2의 약 0.5 부피%에 해당하는 것으로 이해된다. 따라서, Δλ 값은 피드백 센서로부터의 데이터를 사용하여 ECU에 의해 계산할 수 있으며, H2 농도의 대체 측정값으로 사용될 수 있다. 따라서, ECU는 배기 가스 스트림에서 H2 도입을 조절하여 특정 농도의 H2를 제공하는 데 사용될 수 있다.
본원에서 개시되는 배기 가스 처리 시스템은 다양한 비제한적 실시예를 도시하는 도 4 내지 도 8을 참조함으로써 이해될 수 있다. 도 4를 참조하면, 하나의 예시적인 실시형태에서, 배기 가스 처리 시스템(100)은 일산화탄소(CO)를 포함하는 배기 가스 스트림(12)을 생성하는 내연 가솔린 엔진(10), TWC 촉매 물품(22), 피드백 센서(18), 제어 유닛(24), 및 H2 공급원(14)을 포함한다. 시스템(100)은 H2 주입 물품(16) 및 온도 센서(20)를 추가로 포함한다. 온도 센서(20)의 위치는 변할 수 있으며, 예를 들어, 이는 촉매 물품(22) 내부, 촉매 물품(22)의 상류, 또는 둘 모두에 존재할 수 있다. TWC 촉매 물품(22)은 가솔린 엔진(10)의 하류에 위치하며 그와 유체 연통한다. 피드백 센서(18)는 촉매 물품(22)의 상류에 위치하며 배기 가스 스트림(12)과 유체 접촉한다. 제어 유닛(24)은 피드백 센서(18), 온도 센서(20), 및 H2 주입 물품(16)과 연통한다. 시스템은 냉간 시동 기간 동안 H2를 H2 공급원(14)으로부터 촉매 물품(22) 상류의 배기 가스 스트림(12)으로 도입하도록 구성된다. 피드백 센서(18)는 제어 유닛(24) 및 H2 주입 물품(16)을 통해 H2 도입을 조절함으로써 배기 가스 스트림(12) 내의 H2 농도를 제공하도록 구성된다.
또 다른 예시적인 실시형태(도 5)에서, 배기 가스 처리 시스템(110)은 일산화탄소(CO)를 포함하는 배기 가스 스트림(12)을 생성하는 내연 가솔린 엔진(10), TWC 촉매 물품(22), 피드백 센서(18), 제어 유닛(24), 및 H2 발생기(26)를 포함한다. 시스템(110)은 H2 주입 물품(16) 및 온도 센서(20)를 추가로 포함한다. 온도 센서(20)의 위치는 변할 수 있으며, 예를 들어, 이는 촉매 물품(22) 내부, 촉매 물품(22)의 상류, 또는 둘 모두에 존재할 수 있다. 촉매 물품(22), 예를 들어 TWC 촉매 물품은 가솔린 엔진(10)의 하류에 위치하며 그와 유체 연통한다. 피드백 센서(18)는 촉매 물품(22)의 상류에 위치하며 배기 가스 스트림(12)과 유체 접촉한다. 제어 유닛(24)은 피드백 센서(18), 온도 센서(20), 및 H2 발생기(26)와 연통한다. 시스템은 냉간 시동 기간 동안 H2를 H2 발생기(26)로부터 촉매 물품(22) 상류의 배기 가스 스트림(12)으로 도입하도록 구성된다. 피드백 센서(18)는 제어 유닛(24) 및 H2 발생기(26)를 통해 H2 도입을 조절함으로써 배기 가스 스트림(12) 내의 H2 농도를 제공하도록 구성된다.
또 다른 예시적인 실시형태(도 6)에서, 배기 가스 처리 시스템(120)은 일산화탄소(CO)를 포함하는 배기 가스 스트림(12)을 생성하는 내연 가솔린 엔진(10), TWC 촉매 물품(22), 피드백 센서(18), 온도 센서(20) 및 제어 유닛(24)을 포함한다. 온도 센서(20)의 위치는 변할 수 있으며, 예를 들어, 이는 촉매 물품(22) 내부, 촉매 물품(22)의 상류, 또는 둘 모두에 존재할 수 있다. 시스템(120)은 가솔린 엔진(10)의 하류에 위치하며 그와 유체 연통하는 H2 발생기(28)를 포함한다. TWC 촉매 물품(22)은 가솔린 엔진(10) 및 H2 발생기(28)의 하류에 위치하며 그들과 유체 연통한다. 피드백 센서(18)는 촉매 물품(22)의 상류에 위치하며 배기 가스 스트림(12)과 유체 접촉하고, H2 발생기(28)의 하류에 위치한다. 시스템은 냉간 시동 기간 동안 H2를 H2 발생기(28)로부터 TWC 촉매 물품(22) 상류의 배기 가스 스트림(12)으로 도입하도록 구성된다. 피드백 센서(18)는 제어 유닛(24)을 통해 H2 도입을 조절함으로써 배기 가스 스트림(12) 내의 CO 대 H2의 부피비를 제공하도록 구성된다. 제어 유닛(24)은 피드백 센서(18), 온도 센서(20), 및 엔진(10)과 연통한다. H2 발생기는 배기 가스가 접촉 개질기와 접촉할 때 배기 가스의 성분으로부터 추가의 수소를 생성하는 제자리 공정(in situ)을 촉매하는 접촉 개질기이다. 시스템은 냉간 시동 기간 동안 H2를 H2 발생기(28)로부터 TWC 촉매 물품(22) 상류의 배기 가스 스트림(12)으로 도입하도록 구성된다. 제어 유닛(24)으로부터의 신호를 이용하여, 내연 기관(10)은 예를 들어 공연비를 감소시킴으로써 배기 가스 스트림에서 수소의 도입(즉, 수소의 생성)을 선호하는 방식으로 기능하고, 따라서 추가의 CO 및/또는 HC를 발생기(28)에서 H2로 접촉 개질하는 데 이용할 수 있다.
또 다른 예시적인 실시형태(도 7)에서, 배기 가스 처리 시스템(130)은 일산화탄소(CO)를 포함하는 배기 가스 스트림(12)을 생성하는 내연 가솔린 엔진(10), TWC 촉매 물품(22), 피드백 센서(18), 온도 센서(20), 및 제어 유닛(24)을 포함한다. 온도 센서(20)의 위치는 변할 수 있으며, 예를 들어, 이는 촉매 물품(22) 내부, 촉매 물품(22)의 상류, 또는 둘 모두에 존재할 수 있다. 시스템(130)은 연료(36)를 함유하는 연료 탱크(34) 및 도핑된 연료(32)를 함유하는 도핑된 연료 공급원(30)을 추가로 포함한다. 도핑된 연료 공급원(30)은 도핑된 연료(32)를 내연 기관(10)에 제공하여 연소 시에 추가의 수소를 생성하는 제자리 공정을 용이하게 한다. 도핑된 연료(32)는 연료(36) 및 알루미늄 나노입자, 알루미늄-니켈 나노입자, 알루미늄/실리카 나노입자, 알루미늄/코발트 나노입자, 알루미늄/마그네슘 나노입자, 알루미나 나노입자, 마그네슘 나노입자, 마그네슘-니켈 나노입자, 아연 나노입자, 수소화붕소나트륨, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 적어도 하나의 성분을 포함한다. 이러한 성분은, 연소 조건 하에, H2가 풍부한 배기 가스 스트림을 생성한다. 도핑된 연료 공급원(30)은, 예를 들어, 도핑된 연료(32)를 함유하는 저장 용기를 포함할 수 있고, 밸브, 믹서, 펌프, 계량 장치 등과 같은 물품을 추가로 포함할 수 있으며, 도핑된 연료(32)를 엔진(10)으로 이송하도록 구성된다. 이러한 실시형태에서, 도펀트는 일반적으로는 도핑된 연료를 도핑된 연료 공급원(30)에 첨가하기 전에 차량의 외부에서 연료와 혼합된다.
제어 유닛(24)은 피드백 센서(18), 온도 센서(20), 및 도핑된 연료 공급원(30)과 연통한다. 온도 센서(20)의 위치는 변할 수 있으며, 예를 들어, 이는 촉매 물품(22) 내부, 촉매 물품(22)의 상류, 또는 둘 모두에 존재할 수 있다. 제어 유닛(24)으로부터의 신호를 사용하여, 도핑된 연료 공급원은 냉간 시동 기간 동안 연소 전에 도핑된 연료(32)를 엔진에 도입한다. 피드백 센서(18)는 제어 유닛(24) 및 도핑된 연료 공급원(30)을 통해 H2 도입을 조절함으로써 배기 가스 스트림(12) 내의 CO 대 H2의 부피비를 제공하도록 구성된다.
또 다른 예시적인 실시형태(도 8)에서, 배기 가스 처리 시스템(140)은 일산화탄소(CO)를 포함하는 배기 가스 스트림(12)을 생성하는 내연 가솔린 엔진(10), TWC 촉매 물품(22), 피드백 센서(18), 온도 센서(20), 및 제어 유닛(24)을 포함한다. 온도 센서(20)의 위치는 변할 수 있으며, 예를 들어, 이는 촉매 물품(22) 내부, 촉매 물품(22)의 상류, 또는 둘 모두에 존재할 수 있다. 시스템(140)은 연료(36)를 함유하는 연료 탱크(34), 믹서(40), 및 세리아 나노입자, 세리아-지르코니아 나노입자, 및 이들의 조합으로부터 선택되는 적어도 하나의 성분을 포함하는 도펀트(42)를 함유하는 도펀트 공급원(38)을 추가로 포함한다. 이러한 성분은, 연소 조건 하에, H2가 풍부한 배기 가스 스트림을 생성한다. 믹서(40)는, 예를 들어, 밸브, 펌프, 계량 장치 등과 같은 물품을 포함할 수 있으며, 도핑된 연료(32) 및/또는 연료(36)를 엔진(10)으로 이송하도록 구성된다.
도펀트 공급원(38)은 믹서(40)를 통해 도펀트(42)를 내연 기관(10)에 제공하여 연소 시에 추가의 수소를 생성하는 제자리 공정을 용이하게 한다. 이러한 실시형태에서, 믹서(40)는 연료(36)를 도펀트(42)와 혼합하고, 냉간 시동 기간 동안 도핑된 연료(32)를 엔진(10)에 제공한다. 믹서(40)는 다른 시간에(예를 들어, 정상 작동 중에) 도펀트 없이 연료(36)를 전달한다. 피드백 센서(18)는 제어 유닛(24), 연료(36), 도펀트(42), 및 믹서(40)를 통해 H2 도입을 조절함으로써 배기 가스 스트림(12) 내의 H2 농도를 제공하도록 구성된다.
본원에서 개시되는 각각의 배기 가스 처리 시스템 실시형태에서, 배기 가스 처리 시스템은 배기 가스 스트림(12)에 H2 농도를 도입하고 배기 가스 스트림에 H2 농도를 제공하도록 구성된다. H2 도입은 일반적으로 제어 유닛(24)으로부터의 신호에 따라 엔진(10)의 시동으로부터 약 처음 200초 동안(즉, 냉간 시동 기간 동안) 발생한다. 일부 실시형태에서, H2 도입은 촉매 물품(22)을 촉진하기 위해 다른 시간 동안, 예를 들어 장시간 공회전 또는 저속 운전과 같은 저온 작동 기간 동안 발생할 수 있다. H2의 도입은 배기 가스 스트림(12)의 온도가 온도 센서(20)에 의해 측정하였을 때 약 90℃ 내지 약 550℃의 범위에 있을 경우 약 -0.345, 또는 약 -0.060, 또는 약 -0.014의 Δλ(제어 유닛(24)과 연통하는 피드백 센서(18)에 의해 결정됨) 값을 제공하도록 조절된다. 일부 실시형태에서, H2의 도입은 배기 가스 스트림(12)의 온도가 약 90℃ 내지 약 190℃의 범위에 있을 경우 조절된다.
일부 실시형태에서, 배기 가스 스트림(12)은 약 20 부피% 이하의 H2를 함유한다. 일 실시형태에서, 배기 가스 스트림은 약 18 부피% 이하의 H2를 함유한다. 일 실시형태에서, 배기 가스 스트림은 약 16 부피% 이하의 H2를 함유한다. 일 실시형태에서, 배기 가스 스트림은 약 14 부피% 이하의 H2를 함유한다. 일 실시형태에서, 배기 가스 스트림은 약 12 부피% 이하의 H2를 함유한다. 일 실시형태에서, 배기 가스 스트림은 약 10 부피% 이하의 H2를 함유한다. 일 실시형태에서, 배기 가스 스트림은 약 8 부피% 이하의 H2를 함유한다. 일 실시형태에서, 배기 가스 스트림은 약 6 부피% 이하의 H2를 함유한다. 일 실시형태에서, 배기 가스 스트림은 약 4 부피% 이하의 H2를 함유한다. 일부 실시형태에서, 배기 가스 스트림(12)은 약 2 부피% 이하의 H2를 함유한다. 일 실시형태에서, 배기 가스 스트림은 약 1 부피% 이하의 H2를 함유한다. 일부 실시형태에서, 배기 가스 스트림(12)은 약 0.5 부피% 이하의 H2를 함유한다.
III. 엔진 배기 가스의 처리 방법
또 다른 양태에서, 가솔린 엔진으로부터의 배기 가스 스트림을 처리하는 방법으로서, 상기 방법은 배기 가스 스트림을, 가솔린 엔진의 하류에 위치하고 배기 가스 스트림과 유체 연통하는 TWC 촉매 물품과 접촉시키는 단계; 수소 가스(H2)를 H2 공급원으로부터 TWC 촉매 물품 상류의 배기 가스 스트림으로 도입하는 단계; 및 TWC 촉매 물품 상류의 배기 가스 스트림에서 H2의 부피 농도를 제어하는 단계를 포함하며, 상기 H2의 부피 농도를 제어하는 단계는 H2 도입을 조절하는 단계를 포함하는, 배기 가스 스트림을 처리하는 방법이 제공된다.
일부 실시형태에서, H2의 부피 농도를 제어하는 단계는 H2를 TWC 촉매 물품의 상류 또는 그의 내측의 배기 가스 스트림의 온도가 약 90℃ 내지 약 550℃ 범위에 있을 때 배기 가스 스트림으로 도입하는 단계를 포함한다. 일부 실시형태에서, H2의 부피 농도를 제어하는 단계는 H2를 TWC 촉매 물품의 상류 또는 그의 내측의 배기 가스 스트림의 온도가 약 90℃ 내지 약 190℃ 범위에 있을 때 배기 가스 스트림으로 도입하는 단계를 포함한다.
일부 실시형태에서, H2는 약 200초 동안 도입된다.
일부 실시형태에서, H2 도입을 조절하는 단계는: 피드백 센서 및/또는 온도 센서로부터 신호를 얻는 단계 - 상기 피드백 센서는 상기 TWC 촉매 물품의 상류에 위치하고, 상기 온도 센서는 상기 TWC 촉매 물품의 상류 또는 내측에 위치하며, 상기 두 센서 모두 배기 가스 스트림과 접촉함 -; 및 상기 신호를 사용하여 도입되는 H2의 양을 제어하는 단계를 포함한다.
일부 실시형태에서, 배기 가스 스트림은 약 20 부피% 이하의 H2를 함유한다. 일 실시형태에서, 배기 가스 스트림은 약 18 부피% 이하의 H2를 함유한다. 일 실시형태에서, 배기 가스 스트림은 약 16 부피% 이하의 H2를 함유한다. 일 실시형태에서, 배기 가스 스트림은 약 14 부피% 이하의 H2를 함유한다. 일 실시형태에서, 배기 가스 스트림은 약 12 부피% 이하의 H2를 함유한다. 일 실시형태에서, 배기 가스 스트림은 약 10 부피% 이하의 H2를 함유한다. 일 실시형태에서, 배기 가스 스트림은 약 8 부피% 이하의 H2를 함유한다. 일 실시형태에서, 배기 가스 스트림은 약 6 부피% 이하의 H2를 함유한다. 일 실시형태에서, 배기 가스 스트림은 약 4 부피% 이하의 H2를 함유한다. 일부 실시형태에서, 배기 가스 스트림은 약 2 부피% 이하의 H2를 함유한다. 일 실시형태에서, 배기 가스 스트림은 약 1 부피% 이하의 H2를 함유한다. 일부 실시형태에서, 배기 가스 스트림은 약 0.5 부피% 이하의 H2를 함유한다.
일부 실시형태에서, 방법은 H2를 배기 가스 스트림 내에 도입하는 단계; 및 일정 기간 동안 약 -0.014 내지 약 -0.345의 Δλ 값을 제공하는 단계를 포함한다. 일부 실시형태에서, 기간은 약 200초이다. 일부 실시형태에서, Δλ는 약 -0.345이다. 일부 실시형태에서, Δλ는 약 -0.060이다. 일부 실시형태에서, Δλ는 약 -0.014이다.
본 개시내용에 따르면, 전술한 부피% 범위의 양의 H2를 도입하거나 상기 본원에서 개시되는 Δλ 값의 범위를 제공하면, 일부 실시형태에서, 하류 TWC 촉매 활성을 향상시키고 탄화수소(HC) 및 질소 산화물(NOx) 배출물을 감소시킬 수 있는 것으로 밝혀졌다. 일부 실시형태에서, NOx 전환은 HC 및 CO 전환에 악영향을 미치지 않으면서 H2의 도입에 의해 개선될 수 있다. 이러한 방법은 하류 TWC 촉매 물품이 배출물 성분의 전환에 효율적인 온도에 아직 도달하지 않은 냉간 시동 기간 동안 배출물(예를 들어, NOx)을 제어하는 데 유용할 수 있다. 이론에 얽매이려는 것은 아니지만, H2 농도를 증가시키면, 예를 들어, 촉매 PGM을 재생할 수 있고/있거나 달리는 PGM이 저온 산화에 필요한 분자 산소를 해리하는 것을 억제하는 질산염 형성을 최소화할 수 있는 것으로 여겨진다.
일부 실시형태에서, H2를 도입하는 단계는 가솔린 엔진에서 가솔린의 연소 동안 H2를 생성하는 단계를 추가로 포함하며, 여기서 H2를 생성하는 단계는 적어도 하나의 H2 생성 성분을 연소 전에 가솔린에 첨가하는 단계를 포함한다. 일부 실시형태에서, 적어도 하나의 H2 생성 성분은 알루미늄 나노입자, 알루미늄-니켈 나노입자, 알루미늄/실리카 나노입자, 알루미늄/코발트 나노입자, 알루미늄/마그네슘 나노입자, 알루미나 나노입자, 마그네슘 나노입자, 마그네슘-니켈 나노입자, 아연 나노입자, 수소화붕소나트륨, 또는 이들의 조합을 포함하는 도펀트를 포함한다. 일부 실시형태에서, 적어도 하나의 H2 생성 성분은 차량에 탑재된 가솔린에 첨가된다. 일부 실시형태에서, 적어도 하나의 H2 생성 성분은 차량의 외부에서 가솔린에 첨가된다.
다른 실시형태에서, H2를 도입하는 단계는 H2를 생성하는 단계를 추가로 포함하며, 여기서 H2를 생성하는 단계는 배기 가스 스트림을 배기 가스 개질 촉매와 접촉시키는 단계를 포함한다.
추가의 양태에서, 가솔린 엔진으로부터의 가스상 배기 스트림에서 탄화수소, 일산화탄소, 질소 산화물, 및 미립자 물질 중 하나 이상의 수준을 감소시키는 방법으로서, 상기 방법은 상기 가스상 배기 스트림을 본원에서 개시되는 배기 가스 처리 시스템과 접촉시키는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.
IV. 백금-함유 TWC 촉매 물품의 냉간 시동 촉매 성능 향상 방법
추가의 양태에서, 본원에서 개시되는 백금-함유 TWC 촉매 물품의 냉간 시동 촉매 성능을 향상시키는 방법이 제공된다. 방법은 배기 가스 스트림을 백금-함유 TWC 촉매 물품과 접촉시키는 단계 - 상기 백금-함유 TWC 촉매 물품은 가솔린 엔진의 하류에 위치하며 배기 가스 스트림과 유체 연통함 -; 및 배기 가스 스트림 내의 H2 농도를 일정 기간 동안 제어하는 단계 - 상기 H2 농도를 제어하는 단계는 수소 가스(H2)를 H2 공급원에서 백금-함유 TWC 촉매 물품 상류의 배기 가스 스트림으로 도입하는 단계 -; 및 H2 도입을 조절하는 단계를 포함함 -를 포함하며, 여기서 H2 도입을 조절하는 단계는 피드백 센서 및/또는 온도 센서로부터 신호를 얻는 단계 - 피드백 센서는 TWC 촉매 물품의 상류에 위치하고, 온도 센서는 TWC 촉매 물품의 상류 또는 내측에 위치하며, 이들 두 센서는 배기 가스 스트림과 접촉함 -; 및 상기 신호를 사용하여 도입된 H2의 양을 제어하는 단계를 포함한다.
일부 실시형태에서, H2 도입을 조절하는 단계는 H2를 온도 센서의 신호가 약 90℃ 내지 약 190℃ 범위의 온도에 상응할 때 배기 가스 스트림 내에 도입하는 단계를 포함한다. 일부 실시형태에서, 기간은 약 200초 이하이다.
본 발명의 물품, 시스템, 및 방법은 트럭 및 자동차와 같은 이동식 배출원으로부터 배기 가스 스트림을 처리하는 데 적합하다. 본 발명의 물품, 시스템, 및 방법은 또한 발전소와 같은 고정 배출원으로부터 배기 스트림을 처리하는 데에도 적합하다.
본원에서 기술되는 조성물, 방법 및 응용 분야에 대한 적절한 수정 및 개조가 그들의 임의의 실시형태 또는 양태의 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있다는 것은 당업자에게 명백할 것이다. 제공되는 조성물 및 방법은 예시적이며 청구된 실시형태의 범위를 제한하려는 의도가 아니다. 본원에서 개시되는 다양한 실시형태, 양태 및 선택사항 모두는 모든 변형에서 조합될 수 있다. 본원에서 기술되는 조성물, 제형, 방법 및 공정의 범위는 본원의 실시형태, 양태, 선택사항, 및 실시예의 실제 또는 잠재적 조합을 모두 포함한다. 본원에서 인용되는 모든 특허 및 간행물은, 인용에 대한 다른 특정 진술이 특별히 제공되지 않는 한, 언급된 바와 같이 이들의 구체적인 교시에 대해 본원에서 참고로 포함된다.
본원에서 본 발명의 개시내용은 특정 실시형태와 관련하여 설명되었지만, 이러한 실시형태들은 단지 본 발명의 원리 및 적용을 예시하는 것으로 이해되어야 한다. 당업자에게 본 개시내용의 사상 및 범위를 벗어나지 않고서 본 개시내용의 방법 및 장치에 다양한 변형 및 변경이 이루어질 수 있다는 것은 명백할 것이다. 따라서, 본 개시내용은 첨부된 청구범위 및 그들의 균등물의 범주 내에 있는 변형 및 변경을 포함하도록 의도된다.
본 명세서 전반에 걸쳐 "하나의 실시형태", "특정 실시형태", "하나 이상의 실시형태", 또는 "일 실시형태"에 대한 언급은 실시형태와 관련하여 기술된 특정 특성, 구조, 물질, 또는 특징이 본 개시내용의 적어도 하나의 실시형태에 포함되는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서의 전반에 걸쳐 다양한 위치에서 "하나 이상의 실시형태에서", "특정 실시형태에서", "하나의 실시형태에서", 또는 "일 실시형태에서"와 같은 문구의 출현은 반드시 본 개시내용의 동일한 실시형태를 지칭하는 것은 아니다. 또한, 특정 특성, 구조, 물질, 또는 특징은 하나 이상의 실시형태에서 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있다. 본원에서 인용되는 임의의 범위는 포괄적이다.
이하, 하기 실시예를 참조하여 본 발명의 개시내용을 기술한다. 개시내용의 몇 가지 예시적인 실시형태를 설명하기 전에, 본 개시내용은 하기 설명에서 제시되는 구성 또는 공정 단계의 세부 사항으로 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 본 개시내용은 다른 실시형태가 가능하며, 다양한 방식으로 실시되거나 수행될 수 있다.
실시예
TWC 촉매 물품 제조
실시예 1: 하부 코트의 Pd; 종래의 TWC(기준)
Pd를 포함하는 하부 코트 및 Pd 및 Rh를 포함하는 상부 코트를 갖는 종래의 2층 구조의 3원 촉매(TWC) 기준 물품을 제조하였다.
하부 코트의 경우, 0.40 g/in³의 고 표면적 γ-알루미나 상에 Pd 질산염 용액을 초기 습윤 함침시킴으로써 함침된 지지체 물질을 제조하여 18.6 g/ft³의 Pd 로딩을 생성하였다. 생성된 함침 분말 지지체 물질을 550℃에서 하소하고 슬러리로 만든 다음 밀링하여 제1 슬러리를 얻었다. 0.80 g/in³의 세리아-지르코니아 복합체(45 중량% CeO2)를 포함하는 슬러리에 Pd 질산염 용액을 첨가함으로써 제2 슬러리를 제조하여 43.4 g/ft³의 Pd 로딩을 생성하였다. 생성된 함침 분말을 550℃에서 하소하고 슬러리로 만든 다음 밀링하였다. 물 중의 제1 슬러리를 산과 함께 제2 슬러리와 조합함으로써 단일 수성 워시코트를 형성하였다. 바리아(0.15 g/in3) 및 란타나(0.05 g/in3) 촉진제를 또한 여기에 분산시켰다. 알루미나 결합제를 워시코트 슬러리에 첨가한 다음, 이를 1.46 g/in3의 로딩으로 모놀리스 기재 상에 코팅하고, 기재를 공기 중에서 건조하고, 공기 중 550℃에서 하소하여 TWC 물품의 제1(하부) 층을 형성하였다.
이어서, 제2(상부) 층 코팅을 제조하였다. Pd 질산염 용액을 0.20 g/in³의 고 표면적 란타나-도핑된 감마-알루미나 상에 초기 습윤 함침시켜 12.7 g/ft³의 Pd 로딩을 생성하였다. 생성된 함침 분말 지지체 물질을 550℃에서 하소하고 슬러리로 만든 다음 밀링하여 제1 슬러리를 얻었다. 0.40 g/in³의 세리아-지르코니아 복합체(29 중량% CeO2)를 포함하는 슬러리에 Pd 질산염 용액을 첨가함으로써 제2 슬러리를 제조하여 12.7 g/ft³의 Pd 로딩을 생성하였다. 생성된 함침 분말 지지체 물질을 550℃에서 하소하고 슬러리로 만든 다음 밀링하였다. 0.30 g/in³의 고 표면적 γ-알루미나에 로듐 질산염 용액을 첨가함으로써 제3 슬러리를 제조하여 14.5 g/ft³의 Rh 로딩을 생성하였다. 생성된 함침 분말 지지체 물질을 550℃에서 하소하고 슬러리로 만든 다음 밀링하였다. 생성된 슬러리를 제1 및 제2 슬러리와 조합하였다. 란타나(0.05 g/in3) 촉진제를 슬러리에 분산시키고, 알루미나(0.02 g/in3) 및 지르코니아(0.05 g/in3) 결합제를 슬러리에 첨가하였다. 이어서, 얻어진 슬러리를 모놀리스 기재 상에 1.38 g/in3의 로딩으로 코팅하고, 공기 중에서 건조하고, 공기 중 550℃에서 하소하였다. 하소 후의 총 워시코트 로딩은 2.5 g/in3이었다.
실시예 2: 하부 코트의 Pt 및 Pd, OSC 상에 Pd를 가짐
Pt 및 Pd를 포함하는 하부 코트 및 Pd 및 Rh를 포함하는 상부 코트를 갖는 2층 구조의 백금-함유 3원 촉매(TWC) 물품을 제조하였다.
하부 코트의 경우, 0.40 g/in³의 고 표면적 La-안정화된 γ-알루미나 상에 50% Pd 질산염 용액 및 100%의 Pt-MEA(모노에탄올아민) 용액을 초기 습윤 함침시킴으로써 함침된 지지체 물질을 제조하여 15.5 g/ft³의 Pd 로딩 및 30.9 g/ft³의 Pt 로딩을 생성하였다. 0.80 g/in³의 세리아-지르코니아 복합체(45 중량% CeO2) 상에 50% Pd 질산염 용액을 초기 습윤 함침시킴으로써 추가의 함침된 지지체 물질을 제조하여 15.5 g/ft³의 Pd 로딩을 생성하였다. 두 생성된 함침 분말 지지체 물질을 550℃에서 하소하고, 조합된 슬러리로 혼합하였다. 바리아(0.15 g/in3) 및 란타나(0.05 g/in3) 촉진제를 또한 여기에 분산시켰다. 알루미나 결합제를 워시코트 슬러리에 첨가한 다음, 이를 1.46 g/in3의 로딩으로 모놀리스 기재 상에 코팅하고, 기재를 공기 중에서 건조하고, 공기 중 550℃에서 하소하여 백금-함유 TWC 물품의 제1(하부) 층을 형성하였다.
이어서, 제2(상부) 층 코팅을 제조하였다. Pd 질산염 용액을 0.20 g/in³의 고 표면적 란타나-도핑된 γ-알루미나 및 0.40 g/in³의 세리아-지르코니아 복합체(30 중량% CeO2) 상에 초기 습윤 함침시켜 25.4 g/in³의 Pd 로딩을 생성하였다. 생성된 함침 분말 지지체 물질을 550℃에서 하소하고 슬러리로 만든 다음 밀링하여 제1 슬러리를 얻었다. 0.30 g/in³의 란타나-도핑된 γ-알루미나에 Rh 질산염 용액을 첨가함으로써 제2 슬러리를 제조하여 14.5 g/ft³의 Rh 로딩을 생성하였다. 생성된 함침 분말 지지체 물질을 550℃에서 하소하고 슬러리로 만든 다음 밀링하였다. 생성된 슬러리를 제1 슬러리와 조합하였다. 란타나(0.05 g/in3) 촉진제를 슬러리에 분산시키고, 알루미나(0.02 g/in3) 및 지르코니아(0.05 g/in3) 결합제를 슬러리에 첨가하였다. 이어서, 얻어진 슬러리를 모놀리스 기재 상에 1.04 g/in3의 로딩으로 코팅하고, 공기 중에서 건조하고, 공기 중 550℃에서 하소하였다. 하소 후 기재 상의 총 워시코트 로딩은 2.5 g/in3이었다.
실시예 3: 하부 코트의 Pt 및 Pd, OSC 상에 Pt 및 Pd를 가짐
Pt 및 Pd를 포함하는 하부 코트 및 Pd 및 Rh를 포함하는 상부 코트를 갖는 2층 구조의 백금-함유 3원 촉매(TWC) 물품을 제조하였다.
하부 코트의 경우, 0.40 g/in³의 고 표면적 La-안정화된 γ-알루미나 상에 50%의 Pd 질산염 용액을 초기 습윤 함침시킴으로써 함침된 지지체 물질을 제조하여 15.5 g/ft³의 Pd 로딩을 생성하였다. 0.80 g/in³의 세리아-지르코니아 복합체(45 중량% CeO2) 상에 또 다른 50%의 Pd 질산염 용액 및 100%의 Pt-MEA(모노에탄올아민) 용액을 초기 습윤 함침시킴으로써 추가의 함침된 지지체 물질을 제조하여 15.5 g/ft³의 Pd 로딩 및 30.9 g/ft3 Pt 로딩을 생성하였다. 두 함침된 분말 지지체 물질을 550℃에서 하소하고, 조합된 슬러리를 제조하였다. 바리아(0.15 g/in3) 및 란타나(0.05 g/in3) 촉진제를 또한 여기에 분산시켰다. 알루미나 결합제를 워시코트 슬러리에 첨가한 다음, 이를 1.46 g/in3의 로딩으로 모놀리스 기재 상에 코팅하고, 기재를 공기 중에서 건조하고, 공기 중 550℃에서 하소하여 백금-함유 TWC 물품의 제1(하부) 층을 형성하였다.
이어서, 제2(상부) 층 코팅을 제조하였다. Pd 질산염 용액을 0.20 g/in³의 고 표면적 란타나-도핑된 γ-알루미나 및 0.40 g/in³의 세리아-지르코니아 복합체(30 중량% CeO2) 상에 초기 습윤 함침시켜 25.4 g/in³의 Pd 로딩을 생성하였다. 생성된 함침 분말 지지체 물질을 550℃에서 하소하고 슬러리로 만든 다음 밀링하여 제1 슬러리를 얻었다. 0.30 g/in³의 란타나-도핑된 γ-알루미나에 Rh 질산염 용액을 첨가함으로써 제2 슬러리를 제조하여 14.5 g/ft³의 Rh 로딩을 생성하였다. 생성된 함침 분말 지지체 물질을 550℃에서 하소하고 슬러리로 만든 다음 밀링하였다. 생성된 제2 슬러리를 제1 슬러리와 조합하였다. 란타나(0.05 g/in3) 촉진제를 슬러리에 분산시키고, 알루미나(0.02 g/in3) 및 지르코니아(0.05 g/in3) 결합제를 슬러리에 첨가하였다. 이어서, 얻어진 슬러리를 모놀리스 기재 상에 1.04 g/in3의 로딩으로 코팅하고, 공기 중에서 건조하고, 공기 중 550℃에서 하소하였다. 하소 후 기재 상의 총 워시코트 로딩은 2.5 g/in3이었다.
실시예 4. 노화
실시예 1 내지 3에서 제조된 촉매 물품을 2가지 프로토콜(온화한 및 가혹한) 중 하나를 사용하여 노화시켰다. 코어 샘플(1" 직경 x 3" 길이)을 실시예 1 내지 3의 물품에서 제거하였다. 온화한 노화의 경우, 물품을 10% H2O/공기 중에서 12시간 동안 950℃의 원형 노(tube furnace)에서 열수 노화시켰다. 가혹한 노화의 경우, ZDAKW(Zyklus des Abgaszentrums deutscher Automobilhersteller zur Katalysatorweiterentwicklung; 추가 촉매 개발을 위한 독일 자동차 제조업체의 배기 센터의 사이클) 프로토콜에 따라 물품을 995℃(펄스 불꽃 반응기)에서 40시간 동안 노화시켰다.
실시예 5: 실험실 반응기 시뮬레이션
실시예 4에 따라 노화된 실시예 1 내지 3의 촉매 물품을 실험실 반응기(가솔린 차량 시뮬레이터(Gasoline Vehicle Simulator), GVS) 상에서 EPA 연방 시험 절차(EPA Federal Test Procedure)(FTP-72) 조건 하에 평가하여 탄화수소(HC), 일산화탄소(CO), 및 질소 산화물(NOx) 배출을 측정하였다. FTP-72 주행 사이클은 하기 3단계: 냉간 시동, 정상 주행, 및 고온 재시동(hot restart)의 세 단계로 구성되며, 다양한 제조사, 모델, 및 차량 연식에 대한 실제 주행 조건을 시뮬레이션한다.
실험실 반응기는 차량의 배기 시스템 내부에 있는 실제 촉매 물품이 경험하는 바와 같은 시뮬레이션되고 제어된 배기 조건(배기 온도, 공연비, 배기 가스 성분의 농도 등) 하에 촉매 물품 성능에 대한 수소 주입의 영향을 평가할 수 있게 해 주었다. 실험실 반응기는 또한 다른 운전 사이클 조건(WLTC 등)을 시뮬레이션하고, 뿐만 아니라 실제 현장 조건(라이트-오프, 산소 저장 용량 테스트 등)에서 일반적인 정상 상태 테스트를 실행하도록 구성되었다. 실험실 반응기는 촉매 물품의 상류에 UEGO 센서 배열을 포함하고, 수소 가스를 시뮬레이션된 배기 스트림으로 주입하여 CO 대 H2 비율을 변화시키도록 구성되었다. 수소의 도입에 사용된 수소 공급원은 압축식 수소 실린더였다.
첫 번째 실험에서는, 일산화탄소(CO) 산화, 탄화수소(HC) 산화, 및 질소 산화물(NOx) 환원에 대한 실시예 1(기준) 및 실시예 2 및 3의 전환 성능을 2016년형 Ford Edge 차량의 거동을 시뮬레이션하는 FTP-72 주행 사이클 조건 하에 온화한 노화 샘플 및 가혹한 노화 샘플에 대해 평가하였다.
도 9 내지 도 14에 제공된 데이터는 실시예 1(도 9 및 도 10; 각각 온화한 노화 및 가혹한 노화 후), 실시예 2(도 11 및 도 12; 각각 온화한 노화 및 가혹한 노화 후), 및 실시예 3(도 13 및 도 14; 각각 온화한 노화 및 가혹한 노화 후)의 촉매에 대한 FTP-72 구동 사이클에 대해 측정된 HC, CO, 및 NOx 누적 배출(잔류 백분율로 표현되며, 더 낮은 값은 더 우수한 촉매 성능을 나타냄)을 특징으로 한다. 기준선 배출량은 처음 200초 동안 적용된 0.5 부피% 또는 2.0 부피%, 또는 ―0.014 또는 ―0.060의 Δλ와 동등한 양의 H2 주입량과 비교하였다. 테스트의 다른 모든 파라미터는 일정하게 유지하였다.
도 9를 참조하면, 온화한 노화 후의 촉매 실시예 1에 대한 데이터는 0.5 부피% H2의 적용이 기준선 배출량에 비해 NOx 전환율을 개선하였음을 입증하였다. 2.0 부피% H2의 도입은 NOx 전환 시에 촉매 활성에 추가로 도움이 되었지만, HC 및 CO 전환율에 대해서는 어느 정도 부정적인 영향을 나타내었다. 이에 비해, 0.986의 풍부한 λ-바이어스를 적용하면, 즉 공연비가 Δλ ―0.014만큼 화학량론적 값 아래로 감소하면, 0.5 부피% H2의 도입과 유사하게 NOx 전환에 도움이 되었지만, HC 및 CO 전환율에 부정적인 영향을 미쳤다. 유사하게, Δλ ―0.060의 λ-바이어스를 적용하면 2.0 부피% H2 도입으로 관찰된 것과 비교하여 NOx 전환율은 개선되었지만, 전자의 처리는 HC 및 CO 전환율에 대한 촉매 활성에 현저한 부정적인 영향을 미쳤다. 각각의 실험에 대해, 배기 스트림으로의 H2의 도입은 λ-바이어스를 적용하는 것과는 대조적으로 HC 및 CO 전환율에서 거의 또는 전혀 패널티 없이 NOx 활성의 개선을 제공하였다(도 10 내지 도 14).
실시예 6. 정상상태 라이트-오프
희박(λ=1.060) 및 풍부(λ=0.960) 조건 하에 실시예 1 내지 3의 촉매에 대해 HC, NO, 및 CO에 대한 정상 상태 라이트 오프 T50 값(T50은 50% 전환이 달성되는 온도임)을 측정하였다. 이러한 실험은 가솔린 차량 배기 시스템에서 작동하는 동안 촉매 물품이 경험하는 전형적인 조건을 모델링한다. 각각의 조건에 대해, H2(0.5 부피%)의 주입을 기준선(H2의 주입 없음)과 비교하였다. 테스트의 다른 모든 파라미터는 동일하였다.
대표적인 결과가 도 15 내지 도 17에 제공되어 있으며, 이는 H2의 도입이 모든 경우에 촉매 시스템의 개선된 활성을 나타내는 더 낮은 온도를 향한 라이트-오프 곡선의 이동을 제공하였다는 것을 입증하였다. 상응하는 T50 값을 갖는 전체 데이터 세트가 표 1 내지 3에 제공되어 있으며, 이는 0.5 부피% H2의 도입이 이러한 조건(HC, CO, 및 NOx T50이 유의미하게 저하된 조건) 하에서 촉매 물품의 촉매 활성을 개선시켰음을 입증하였다.
Figure pct00013
Figure pct00014
Figure pct00015
이하, 본 개시내용은 하기 실시형태를 참조하여 기술되며, 본 개시내용은 이러한 실시형태에 국한되지 않고 다른 실시형태가 가능하며, 다양한 방식으로 실시되거나 수행될 수 있음을 이해하여야 한다.
1. 가솔린 엔진으로부터의 배기 가스 스트림에서 일산화탄소 및 탄화수소를 산화시키고 질소 산화물을 감소시키는 데 효과적인 백금-함유 3원 전환(TWC: three-way conversion) 촉매 물품으로서, 상기 TWC 백금-함유 촉매 물품은 기재, 상기 기재의 적어도 일부 상에 배치된 제1 촉매 조성물, 및 상기 기재의 적어도 일부 상에 배치된 제2 촉매 조성물을 포함하고, 상기 제2 촉매 조성물은:
제1 팔라듐 성분 - 여기서 상기 제1 팔라듐 성분의 적어도 일부는 제1 내화성 금속 산화물 지지체 상에 함침되고, 상기 제1 팔라듐 성분의 적어도 다른 일부는 제1 산소 저장 성분 상에 함침됨 -; 및
제2 내화성 금속 산화물 지지체 상에 함침된 로듐 성분을 포함하며;
상기 제1 촉매 조성물은:
제2 팔라듐 성분 - 여기서 상기 제2 팔라듐 성분의 적어도 일부는 제3 내화성 금속 산화물 지지체 상에 함침되고, 상기 제2 팔라듐 성분의 적어도 다른 일부는 제2 산소 저장 성분 상에 함침됨 -; 및
백금 성분 - 여기서 상기 백금 성분은 제3 내화성 금속 산화물 지지체 상에 함침되거나, 또는 상기 백금 성분은 제2 산소 저장 성분 상에 함침됨 -을 포함하는, 백금-함유 3원 전환(TWC) 촉매 물품.
2. 실시형태 1에 있어서, 상기 제1 내화성 금속 산화물 지지체는 알루미나, 지르코니아, 티타니아, 세리아, 또는 이들의 조합을 포함하며, 상기 제1 내화성 금속 산화물 지지체는 희토류 금속 산화물로 선택적으로 도핑되는, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
3. 실시형태 2에 있어서, 상기 희토류 금속 산화물은 산화란타늄, 산화프라세오디뮴, 산화이트륨, 산화네오디뮴, 또는 이들의 임의의 조합인, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
4. 실시형태 2에 있어서, 상기 제1 내화성 금속 산화물 지지체는 란타나-알루미나, 세리아-알루미나, 지르코니아-알루미나, 세리아-지르코니아-알루미나, 란타나-지르코니아-알루미나, 또는 란타나-네오디미아-알루미나인, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
5. 실시형태 2에 있어서, 상기 제1 내화성 금속 산화물 지지체는 란타나-알루미나인, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
6. 실시형태 1에 있어서, 상기 제1 산소 저장 성분은 세리아, 지르코니아, 알루미나, 실리카, 티타니아, 란타나, 바리아, 프라세오디미아, 이트리아, 사마리아, 가돌리니아, 또는 이들의 조합을 포함하는, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
7. 실시형태 1에 있어서, 상기 제1 산소 저장 성분은 세리아를 포함하는, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
8. 실시형태 1에 있어서, 상기 제1 산소 저장 성분은 지르코니아를, 세리아-지르코니아 복합체의 총 중량을 기준으로, 약 5 중량% 내지 약 20 중량%의 양으로 포함하는 세리아-지르코니아 복합체인, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
9. 실시형태 1에 있어서, 상기 로듐 성분은, 제2 층의 총 중량을 기준으로, 약 0.05 중량% 내지 약 5 중량%의 양으로 존재하는, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
10. 실시형태 1에 있어서, 상기 제2 내화성 금속 산화물 지지체는 알루미나, 지르코니아, 티타니아, 세리아, 또는 이들의 조합을 포함하며, 상기 제2 내화성 금속 산화물 지지체는 희토류 금속 산화물로 선택적으로 도핑되는, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
11. 실시형태 1에 있어서, 상기 제2 내화성 금속 산화물 지지체는 란타나-알루미나, 세리아-알루미나, 지르코니아-알루미나, 세리아-지르코니아-알루미나, 란타나-지르코니아-알루미나, 또는 란타나-네오디미아-알루미나인, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
12. 실시형태 1에 있어서, 상기 제3 내화성 금속 산화물 지지체는 알루미나, 지르코니아, 티타니아, 세리아, 또는 이들의 조합을 포함하며, 상기 제3 내화성 금속 산화물 지지체는 희토류 금속 산화물로 선택적으로 도핑되는, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
13. 실시형태 12에 있어서, 상기 제3 내화성 금속 산화물 지지체는 란타나-알루미나, 세리아-알루미나, 지르코니아-알루미나, 세리아-지르코니아-알루미나, 란타나-지르코니아-알루미나, 또는 란타나-네오디미아-알루미나인, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
14. 실시형태 1에 있어서, 상기 제2 산소 저장 성분은 세리아, 지르코니아, 알루미나, 실리카, 티타니아, 란타나, 바리아, 프라세오디미아, 이트리아, 사마리아, 가돌리니아, 또는 이들의 조합을 포함하는, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
15. 실시형태 1에 있어서, 상기 제2 산소 저장 성분은 세리아를 포함하는, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
16. 실시형태 15에 있어서, 상기 제2 산소 저장 성분은 지르코니아, 란타나, 바리아, 프라세오디미아, 이트리아, 사마리아, 가돌리니아, 또는 이들의 조합 중 하나 이상을 추가로 포함하는, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
17. 실시형태 1에 있어서, 상기 산소 저장 성분은 지르코니아를, 세리아-지르코니아 복합체의 총 중량을 기준으로, 약 5 중량% 내지 약 20 중량%의 양으로 포함하는 세리아-지르코니아 복합체인, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
18. 실시형태 1에 있어서, 상기 제1 촉매 조성물은 희토류 금속 산화물, 알칼리 토금속 성분, 또는 이들 둘 모두를 추가로 포함하는, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
19. 실시형태 18에 있어서, 상기 희토류 금속 산화물은 산화란타늄, 산화프라세오디뮴, 산화이트륨, 산화네오디뮴, 또는 이들의 임의의 조합인, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
20. 실시형태 18에 있어서, 상기 알칼리 토금속 성분은, 제1 층의 총 중량을 기준으로, 약 1 중량% 내지 약 40 중량%의 양으로 존재하는, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
21. 실시형태 20에 있어서, 상기 알칼리 토금속 성분은 칼슘, 마그네슘, 스트론튬, 바륨, 또는 이들의 조합을 포함하는, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
22. 실시형태 21에 있어서, 상기 알칼리 토금속 성분은 황산바륨인, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
23. 실시형태 1에 있어서, 상기 백금 성분은 상기 제3 내화성 금속 산화물 지지체 상에 함침되는, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
24. 실시형태 1에 있어서, 상기 백금 성분은 상기 제2 산소 저장 성분 상에 함침되는, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
25. 실시형태 1에 있어서, 상기 제2 촉매 조성물은:
상기 제1 팔라듐 성분의 일부로 함침된 란타나-도핑된 알루미나;
상기 제1 팔라듐 성분의 일부로 함침된 세리아-지르코니아;
상기 로듐 성분으로 함침된 알루미나; 및
산화란타늄을 포함하는, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
26. 실시형태 1에 있어서, 상기 제1 촉매 조성물은:
상기 백금 성분 및 상기 제2 팔라듐 성분의 일부로 함침된 알루미나;
상기 제2 팔라듐 성분의 일부로 함침된 세리아-지르코니아;
산화란타늄; 및
황산바륨을 포함하는, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
27. 실시형태 1에 있어서, 상기 제1 촉매 조성물은:
상기 제2 팔라듐 성분의 일부로 함침된 알루미나;
백금 및 상기 제2 팔라듐 성분의 일부로 함침된 세리아-지르코니아;
산화란타늄; 및
황산바륨을 포함하는, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
28. 실시형태 1에 있어서, 상기 기재는 금속 또는 세라믹 모놀리식 허니컴 기재인, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
29. 실시형태 28에 있어서, 상기 금속 또는 세라믹 모놀리식 허니컴 기재는 벽-유동형(wall-flow) 필터 기재 또는 관류형(flow-through) 기재인, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
30. 실시형태 1에 있어서, 상기 제1 촉매 조성물은 제1 촉매 층으로서 기재 상에 배치되고, 상기 제2 촉매 조성물은 상기 제1 촉매 층 상에 배치되는, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
31. 일산화탄소(CO)를 포함하는 가솔린 엔진으로부터의 배기 가스 스트림을 처리하기 위한 시스템으로서:
상기 가솔린 엔진의 하류에 위치하고 그와 유체 연통하는 실시형태 1 내지 30 중 어느 하나의 백금-함유 3원 전환(TWC) 촉매 물품;
수소 가스(H2)의 공급원;
상기 백금-함유 TWC 촉매 물품의 상류에 위치하고 상기 배기 가스 스트림과 접촉하는 피드백 센서; 및
상기 피드백 센서와 연통하는 제어 유닛을 포함하고;
상기 시스템은 냉간 시동(cold-start) 기간 동안 H2를 상기 H2 공급원으로부터 상기 백금-함유 TWC 촉매 물품 상류의 상기 배기 가스 스트림으로 도입하도록 구성되며, 상기 피드백 센서는 H2 도입을 조절함으로써 배기 가스 스트림에 H2를 제공하도록 구성되는, 시스템.
32. 실시형태 31에 있어서, 상기 피드백 센서는 광대역 산소 센서(UEGO) 및 온도 센서를 포함하는, 시스템.
33. 실시형태 31에 있어서, 상기 H2의 공급원은 온-보드(on-board) 압축 수소 용기인, 시스템.
34. 실시형태 31에 있어서, 상기 H2의 공급원은 온-보드 수소 발생기인, 시스템.
35. 실시형태 34에 있어서, 상기 온-보드 수소 발생기는 알코올 개질기, 암모니아 분해 장치, 전기분해 장치, 연료 개질기, 배기 가스 개질기, 또는 이들의 조합을 포함하는, 시스템.
36. 실시형태 34에 있어서, 상기 온-보드 수소 발생기는 촉매 물품의 상류에 위치하고 배기 가스 스트림과 유체 연통하는 접촉 개질 물품을 포함하는 배기 가스 개질기인, 시스템.
37. 실시형태 34에 있어서, 상기 온-보드 수소 발생기는 알루미늄 나노입자, 알루미늄/니켈 나노입자, 알루미늄/실리카 나노입자, 알루미늄/코발트 나노입자, 알루미늄/마그네슘 나노입자, 알루미나 나노입자, 마그네슘 나노입자, 마그네슘/니켈 나노입자, 아연 나노입자, 수소화붕소나트륨, 또는 이들의 조합을 포함하는 도펀트를 포함하는 적어도 하나의 H2 생성 성분을 포함하며, 상기 적어도 하나의 H2 생성 성분은 가솔린 엔진에서 상기 연료의 연소 이전에 가솔린 연료에 첨가되는, 시스템.
38. 실시형태 31에 있어서, 상기 TWC 촉매 물품의 상류에 위치하고, 상기 피드백 센서의 상류에 위치하고, 상기 배기 가스 스트림 및 상기 H2 공급원과 유체 연통하며, 상기 제어 유닛과 연통하는 H2 주입 물품을 추가로 포함하며; 상기 H2 주입 물품은 H2를 상기 H2 공급원으로부터 상기 촉매 물품 상류의 배기 가스 스트림으로 도입하도록 구성되는, 시스템.
39. 실시형태 31에 있어서, 상기 TWC 촉매 물품의 상류 또는 그의 내부의 배기 가스 스트림의 온도가 약 90℃ 내지 약 190℃의 범위에 있을 때 H2를 상기 배기 가스 스트림으로 도입하도록 구성되는, 시스템.
40. 실시형태 31에 있어서, 상기 TWC 촉매 물품의 상류 또는 그의 내부의 배기 가스 스트림의 온도가 약 90℃ 내지 약 550℃ 범위에 있는 경우, 상기 배기 가스 스트림은 약 20 부피% 이하의 H2를 함유하는, 시스템.
41. 실시형태 31에 있어서, 상기 배기 가스 스트림은 약 2 부피% 이하의 H2, 또는 약 0.5 부피% 이하의 H2를 함유하는, 시스템.
42. 실시형태 31에 있어서, 일정 기간 동안 약 -0.345의 음의 값 이상의 소정의 Δλ 값을 제공하기 위해 H2를 상기 배기 가스 스트림에 도입하도록 구성되며, 여기서:
Δλ =
Figure pct00016
― λ°;
λ°는 사전 정의된 값이며;
Figure pct00017
는 하기 수학식에 따라 일정 시간 동안 계산된 배기 가스 스트림의 평균 공연비인, 시스템:
Figure pct00018
상기 식에서, (N)은 이러한 시간 길이에 포함된 지점의 수이며, λ i 는 각각의 지점에서의 공연비이다.
43. 실시형태 42에 있어서, Δλ는 약 ―0.060, 또는 약 ―0.014인, 시스템.
44. 가솔린 엔진으로부터의 배기 가스 스트림을 처리하는 방법으로서,
상기 배기 가스 스트림을, 상기 가솔린 엔진의 하류에 위치하고 상기 배기 가스 스트림과 유체 연통하는 실시형태 1 내지 30 중 어느 하나의 백금-함유 TWC 촉매 물품과 접촉시키는 단계;
수소 가스(H2)를 H2 공급원으로부터 상기 TWC 촉매 물품 상류의 상기 배기 가스 스트림으로 도입하는 단계; 및
상기 TWC 촉매 물품 상류의 상기 배기 가스 스트림에서 H2의 부피 농도를 제어하는 단계를 포함하며, 상기 H2의 부피 농도를 제어하는 단계는 H2 도입을 조절하는 단계를 포함하는, 배기 가스 스트림을 처리하는 방법.
45. 실시형태 44 있어서, 상기 제어 단계는 H2를 상기 TWC 촉매 물품의 상류 또는 그의 내측의 배기 가스 스트림의 온도가 약 90℃ 내지 약 550℃ 범위, 또는 약 90℃ 내지 약 190℃ 범위에 있을 때 상기 배기 가스 스트림으로 도입하는 단계를 포함하는, 방법.
46. 실시형태 44 있어서, H2는 약 200초 동안 도입되는, 방법.
47. 실시형태 44 있어서, 상기 H2 도입을 조절하는 단계는:
피드백 센서 및/또는 온도 센서로부터 신호를 얻는 단계 - 상기 피드백 센서는 상기 TWC 촉매 물품의 상류에 위치하고, 상기 온도 센서는 상기 TWC 촉매 물품의 상류 또는 내측에 위치하며, 상기 두 센서 모두 배기 가스 스트림과 접촉함 -; 및
상기 신호를 사용하여 도입되는 H2의 양을 제어하는 단계를 포함하는, 방법.
48. 실시형태 47에 있어서, 상기 배기 가스 스트림은 약 20 부피% 이하의 H2, 약 2 부피% 이하의 H2, 또는 약 0.5 부피% 이하의 H2를 함유하는, 방법.
49. 실시형태 47에 있어서,
H2를 상기 배기 가스 스트림 내에 도입하는 단계; 및
약 -0.345의 음의 값 이상의 Δλ 값을 일정 기간 동안 제공하는 단계를 포함하며, 여기서:
Δλ =
Figure pct00019
― λ°;
λ°는 사전 정의된 값이며;
Figure pct00020
는 하기 수학식에 따라 일정 시간 동안 계산된 배기 가스 스트림의 평균 공연비인, 방법:
Figure pct00021
상기 식에서, (N)은 이러한 시간 길이에 포함된 지점의 수이며, λ i 는 각각의 지점에서의 공연비이다.
50. 실시형태 49에 있어서, Δλ는 약 ―0.060, 또는 약 ―0.014인, 방법.
51. 실시형태 49에 있어서, 상기 H2를 도입하는 단계는 가솔린 엔진에서 가솔린의 연소 동안 H2를 생성하는 단계를 추가로 포함하며, 여기서 H2를 생성하는 단계는 적어도 하나의 H2 생성 성분을 연소 전에 가솔린에 첨가하는 단계를 포함하는, 방법.
52. 실시형태 51에 있어서, 상기 적어도 하나의 H2 생성 성분은 알루미늄 나노입자, 알루미늄/니켈 나노입자, 알루미늄/실리카 나노입자, 알루미늄/코발트 나노입자, 알루미늄/마그네슘 나노입자, 알루미나 나노입자, 마그네슘 나노입자, 마그네슘/니켈 나노입자, 아연 나노입자, 수소화붕소나트륨, 또는 이들의 조합을 포함하는 도펀트를 포함하는, 방법.
53. 실시형태 52에 있어서, 가솔린 엔진 및 TWC 물품을 포함하는 차량을 추가로 포함하는, 방법.
54. 실시형태 53에 있어서, 상기 적어도 하나의 H2 생성 성분은 차량에 탑재된 가솔린에 첨가되거나, 또는 차량의 외부에서 가솔린에 첨가되는, 방법.
55. 실시형태 44에 있어서, 상기 H2를 도입하는 단계는 H2를 생성하는 단계를 추가로 포함하며, 여기서 상기 H2를 생성하는 단계는 배기 가스 스트림을 배기 가스 개질 촉매와 접촉시키는 단계를 포함하는, 방법.
56. 가솔린 엔진으로부터의 가스상 배기 스트림에서 탄화수소, 일산화탄소, 질소 산화물, 및 미립자 물질 중 하나 이상의 수준을 감소시키는 방법으로서, 상기 가스상 배기 스트림을 실시형태 31 내지 43 중 어느 하나의 배기 가스 처리 시스템과 접촉시키는 단계를 포함하는, 방법.
57. 백금-함유 TWC 촉매 물품의 냉간 시동 촉매 성능을 향상시키는 방법으로서, 상기 백금-함유 TWC 촉매 물품은 기재, 상기 기재 상에 배치된 제1 촉매 층, 및 상기 제1 층 상에 배치된 제2 촉매 층을 포함하고, 상기 제2 촉매 층은 하기:
제1 팔라듐 성분 - 여기서 상기 제1 팔라듐 성분의 적어도 일부는 제1 내화성 금속 산화물 지지체 상에 함침되고, 상기 제1 팔라듐 성분의 적어도 다른 일부는 제1 산소 저장 성분 상에 함침됨 -; 및
제2 내화성 금속 산화물 지지체 상에 함침된 로듐 성분을 포함하는 제2 촉매 조성물을 포함하고;
상기 제1 촉매 층은 하기:
제2 팔라듐 성분 - 여기서 제2 팔라듐 성분의 적어도 일부는 제3 내화성 금속 산화물 지지체 상에 함침되고, 제2 팔라듐 성분의 적어도 다른 일부는 제2 산소 저장 성분 상에 함침됨 -; 및 백금 성분 - 여기서 백금 성분은 제3 내화성 금속 산화물 지지체 상에 함침되거나, 또는 백금 성분은 제2 산소 저장 성분 상에 함침됨 -을 포함하는 제1 촉매 조성물을 포함하고;
상기 방법은:
배기 가스 스트림을, 가솔린 엔진의 하류에 위치하고 상기 배기 가스 스트림과 유체 연통하는 상기 백금-함유 TWC 촉매 물품과 접촉시키는 단계;
상기 배기 가스 스트림 내의 H2의 부피 농도를 일정 기간 동안 제어하는 단계 - 상기 H2의 부피 농도를 제어하는 단계는 수소 가스(H2)를 H2 공급원에서 상기 TWC 촉매 물품 상류의 배기 가스 스트림으로 도입하는 단계를 포함함 -; 및 피드백 센서로부터의 신호를 사용하여 H2 도입을 조절하는 단계를 포함하는, 백금-함유 TWC 촉매 물품의 냉간 시동 촉매 성능을 향상시키는 방법.
58. 실시형태 57에 있어서, 상기 조절 단계는 H2를 온도 센서의 신호가 약 90℃ 내지 약 190℃ 범위의 온도에 상응할 때 배기 가스 스트림으로 도입하는 단계를 포함하는, 방법.
59. 실시형태 57에 있어서, 상기 기간은 약 200초 이하인, 방법.

Claims (59)

  1. 가솔린 엔진으로부터의 배기 가스 스트림에서 일산화탄소 및 탄화수소를 산화시키고 질소 산화물을 감소시키는 데 효과적인 백금-함유 3원 전환(TWC: three-way conversion) 촉매 물품으로서, 상기 백금-함유 TWC 촉매 물품은 기재, 상기 기재의 적어도 일부 상에 배치된 제1 촉매 조성물, 및 상기 기재의 적어도 일부 상에 배치된 제2 촉매 조성물을 포함하고, 상기 제2 촉매 조성물은:
    제1 팔라듐 성분 - 여기서 상기 제1 팔라듐 성분의 적어도 일부는 제1 내화성 금속 산화물 지지체 상에 함침되고, 상기 제1 팔라듐 성분의 적어도 다른 일부는 제1 산소 저장 성분 상에 함침됨 -; 및
    제2 내화성 금속 산화물 지지체 상에 함침된 로듐 성분을 포함하며;
    상기 제1 촉매 조성물은:
    제2 팔라듐 성분 - 여기서 상기 제2 팔라듐 성분의 적어도 일부는 제3 내화성 금속 산화물 지지체 상에 함침되고, 상기 제2 팔라듐 성분의 적어도 다른 일부는 제2 산소 저장 성분 상에 함침됨 -; 및
    백금 성분 - 여기서 상기 백금 성분은 제3 내화성 금속 산화물 지지체 상에 함침되거나, 또는 상기 백금 성분은 제2 산소 저장 성분 상에 함침됨 -을 포함하는, 백금-함유 3원 전환(TWC) 촉매 물품.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 내화성 금속 산화물 지지체는 알루미나, 지르코니아, 티타니아, 세리아, 또는 이들의 조합을 포함하며, 상기 제1 내화성 금속 산화물 지지체는 희토류 금속 산화물로 선택적으로 도핑되는, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
  3. 제2항에 있어서, 상기 희토류 금속 산화물은 산화란타늄, 산화프라세오디뮴, 산화이트륨, 산화네오디뮴, 또는 이들의 임의의 조합인, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
  4. 제2항에 있어서, 상기 제1 내화성 금속 산화물 지지체는 란타나-알루미나, 세리아-알루미나, 지르코니아-알루미나, 세리아-지르코니아-알루미나, 란타나-지르코니아-알루미나, 또는 란타나-네오디미아-알루미나인, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
  5. 제2항에 있어서, 상기 제1 내화성 금속 산화물 지지체는 란타나-알루미나인, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 산소 저장 성분은 세리아, 지르코니아, 알루미나, 실리카, 티타니아, 란타나, 바리아, 프라세오디미아, 이트리아, 사마리아, 가돌리니아, 또는 이들의 조합을 포함하는, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 산소 저장 성분은 세리아를 포함하는, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1 산소 저장 성분은 지르코니아를, 세리아-지르코니아 복합체의 총 중량을 기준으로, 약 5 중량% 내지 약 20 중량%의 양으로 포함하는 세리아-지르코니아 복합체인, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
  9. 제1항에 있어서, 상기 로듐 성분은, 제2 층의 총 중량을 기준으로, 약 0.05 중량% 내지 약 5 중량%의 양으로 존재하는, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제2 내화성 금속 산화물 지지체는 알루미나, 지르코니아, 티타니아, 세리아, 또는 이들의 조합을 포함하며, 상기 제2 내화성 금속 산화물 지지체는 희토류 금속 산화물로 선택적으로 도핑되는, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제2 내화성 금속 산화물 지지체는 란타나-알루미나, 세리아-알루미나, 지르코니아-알루미나, 세리아-지르코니아-알루미나, 란타나-지르코니아-알루미나, 또는 란타나-네오디미아-알루미나인, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
  12. 제1항에 있어서, 상기 제3 내화성 금속 산화물 지지체는 알루미나, 지르코니아, 티타니아, 세리아, 또는 이들의 조합을 포함하며, 상기 제3 내화성 금속 산화물 지지체는 희토류 금속 산화물로 선택적으로 도핑되는, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제3 내화성 금속 산화물 지지체는 란타나-알루미나, 세리아-알루미나, 지르코니아-알루미나, 세리아-지르코니아-알루미나, 란타나-지르코니아-알루미나, 또는 란타나-네오디미아-알루미나인, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
  14. 제1항에 있어서, 상기 제2 산소 저장 성분은 세리아, 지르코니아, 알루미나, 실리카, 티타니아, 란타나, 바리아, 프라세오디미아, 이트리아, 사마리아, 가돌리니아, 또는 이들의 조합을 포함하는, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
  15. 제1항에 있어서, 상기 제2 산소 저장 성분은 세리아를 포함하는, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제2 산소 저장 성분은 지르코니아, 란타나, 바리아, 프라세오디미아, 이트리아, 사마리아, 가돌리니아, 또는 이들의 조합 중 하나 이상을 추가로 포함하는, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
  17. 제1항에 있어서, 상기 산소 저장 성분은 지르코니아를, 세리아-지르코니아 복합체의 총 중량을 기준으로, 약 5 중량% 내지 약 20 중량%의 양으로 포함하는 세리아-지르코니아 복합체인, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
  18. 제1항에 있어서, 상기 제1 촉매 조성물은 희토류 금속 산화물, 알칼리 토금속 성분, 또는 이들 둘 모두를 추가로 포함하는, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
  19. 제18항에 있어서, 상기 희토류 금속 산화물은 산화란타늄, 산화프라세오디뮴, 산화이트륨, 산화네오디뮴, 또는 이들의 임의의 조합인, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
  20. 제18항에 있어서, 상기 알칼리 토금속 성분은, 제1 층의 총 중량을 기준으로, 약 1 중량% 내지 약 40 중량%의 양으로 존재하는, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
  21. 제20항에 있어서, 상기 알칼리 토금속 성분은 칼슘, 마그네슘, 스트론튬, 바륨, 또는 이들의 조합을 포함하는, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
  22. 제21항에 있어서, 상기 알칼리 토금속 성분은 황산바륨인, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
  23. 제1항에 있어서, 상기 백금 성분은 상기 제3 내화성 금속 산화물 지지체 상에 함침되는, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
  24. 제1항에 있어서, 상기 백금 성분은 상기 제2 산소 저장 성분 상에 함침되는, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
  25. 제1항에 있어서, 상기 제2 촉매 조성물은:
    상기 제1 팔라듐 성분의 일부로 함침된 란타나-도핑된 알루미나;
    상기 제1 팔라듐 성분의 일부로 함침된 세리아-지르코니아;
    상기 로듐 성분으로 함침된 알루미나; 및
    산화란타늄을 포함하는, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
  26. 제1항에 있어서, 상기 제1 촉매 조성물은:
    상기 백금 성분 및 상기 제2 팔라듐 성분의 일부로 함침된 알루미나;
    상기 제2 팔라듐 성분의 일부로 함침된 세리아-지르코니아;
    산화란타늄; 및
    황산바륨을 포함하는, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
  27. 제1항에 있어서, 상기 제1 촉매 조성물은:
    상기 제2 팔라듐 성분의 일부로 함침된 알루미나;
    백금 및 상기 제2 팔라듐 성분의 일부로 함침된 세리아-지르코니아;
    산화란타늄; 및
    황산바륨을 포함하는, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
  28. 제1항에 있어서, 상기 기재는 금속 또는 세라믹 모놀리식 허니컴 기재인, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
  29. 제28항에 있어서, 상기 금속 또는 세라믹 모놀리식 허니컴 기재는 벽-유동형(wall-flow) 필터 기재 또는 관류형(flow-through) 기재인, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
  30. 제1항에 있어서, 상기 제1 촉매 조성물은 제1 촉매 층으로서 기재 상에 배치되고, 상기 제2 촉매 조성물은 상기 제1 촉매 층 상에 배치되는, 백금-함유 TWC 촉매 물품.
  31. 일산화탄소(CO)를 포함하는 가솔린 엔진으로부터의 배기 가스 스트림을 처리하기 위한 시스템으로서:
    상기 가솔린 엔진의 하류에 위치하고 그와 유체 연통하는 제1항 내지 제30항 중 어느 한 항의 백금-함유 3원 전환(TWC) 촉매 물품;
    수소 가스(H2)의 공급원;
    상기 백금-함유 TWC 촉매 물품의 상류에 위치하고 상기 배기 가스 스트림과 접촉하는 피드백 센서; 및
    상기 피드백 센서와 연통하는 제어 유닛을 포함하고;
    상기 시스템은 냉간 시동(cold-start) 기간 동안 H2를 상기 H2 공급원으로부터 상기 백금-함유 TWC 촉매 물품 상류의 상기 배기 가스 스트림으로 도입하도록 구성되며, 상기 피드백 센서는 H2 도입을 조절함으로써 배기 가스 스트림에 H2를 제공하도록 구성되는, 시스템.
  32. 제31항에 있어서, 상기 피드백 센서는 광대역 산소 센서(UEGO) 및 온도 센서를 포함하는, 시스템.
  33. 제31항에 있어서, 상기 H2의 공급원은 온-보드(on-board) 압축 수소 용기인, 시스템.
  34. 제31항에 있어서, 상기 H2의 공급원은 온-보드 수소 발생기인, 시스템.
  35. 제34항에 있어서, 상기 온-보드 수소 발생기는 알코올 개질기, 암모니아 분해 장치, 전기분해 장치, 연료 개질기, 배기 가스 개질기, 또는 이들의 조합을 포함하는, 시스템.
  36. 제34항에 있어서, 상기 온-보드 수소 발생기는 촉매 물품의 상류에 위치하고 배기 가스 스트림과 유체 연통하는 접촉 개질 물품을 포함하는 배기 가스 개질기인, 시스템.
  37. 제34항에 있어서, 상기 온-보드 수소 발생기는 알루미늄 나노입자, 알루미늄-니켈 나노입자, 알루미늄/실리카 나노입자, 알루미늄/코발트 나노입자, 알루미늄/마그네슘 나노입자, 알루미나 나노입자, 마그네슘 나노입자, 마그네슘-니켈 나노입자, 아연 나노입자, 수소화붕소나트륨, 또는 이들의 조합을 포함하는 도펀트를 포함하는 적어도 하나의 H2 생성 성분을 포함하며, 상기 적어도 하나의 H2 생성 성분은 가솔린 엔진에서 상기 연료의 연소 이전에 가솔린 연료에 첨가되는, 시스템.
  38. 제31항에 있어서, 상기 TWC 촉매 물품의 상류에 위치하고, 상기 피드백 센서의 상류에 위치하고, 상기 배기 가스 스트림 및 상기 H2 공급원과 유체 연통하며, 상기 제어 유닛과 연통하는 H2 주입 물품을 추가로 포함하며; 상기 H2 주입 물품은 H2를 상기 H2 공급원으로부터 상기 촉매 물품 상류의 배기 가스 스트림으로 도입하도록 구성되는, 시스템.
  39. 제31항에 있어서, 상기 TWC 촉매 물품의 상류 또는 그의 내부의 배기 가스 스트림의 온도가 약 90℃ 내지 약 190℃의 범위에 있을 때 H2를 상기 H2 공급원으로부터 상기 배기 가스 스트림으로 도입하도록 구성되는, 시스템.
  40. 제31항에 있어서, 상기 TWC 촉매 물품의 상류 또는 그의 내부의 배기 가스 스트림의 온도가 약 90℃ 내지 약 550℃ 범위에 있는 경우, 상기 배기 가스 스트림은 약 20 부피% 이하의 H2를 함유하는, 시스템.
  41. 제31항에 있어서, 상기 배기 가스 스트림은 약 2 부피% 이하의 H2, 또는 약 0.5 부피% 이하의 H2를 함유하는, 시스템.
  42. 제31항에 있어서, 일정 기간 동안 약 -0.345의 음의 값 이상의 소정의 Δλ 값을 제공하기 위해 H2를 상기 H2 공급원으로부터 상기 배기 가스 스트림에 도입하도록 구성되며, 여기서:
    Δλ =
    Figure pct00022
    ― λ°;
    λ°는 사전 정의된 값이며;
    Figure pct00023
    는 하기 수학식에 따라 일정 시간 동안 계산된 배기 가스 스트림의 평균 공연비인, 시스템:
    Figure pct00024

    상기 식에서, (N)은 이러한 시간 길이에 포함된 지점의 수이며, λ i 는 각각의 지점에서의 공연비이다.
  43. 제42항에 있어서, Δλ는 약 ―0.060, 또는 약 ―0.014인, 시스템.
  44. 가솔린 엔진으로부터의 배기 가스 스트림을 처리하는 방법으로서,
    상기 배기 가스 스트림을, 상기 가솔린 엔진의 하류에 위치하고 상기 배기 가스 스트림과 유체 연통하는 제1항 내지 제30항 중 어느 한 항의 백금-함유 TWC 촉매 물품과 접촉시키는 단계;
    수소 가스(H2)를 H2 공급원으로부터 상기 백금-함유 TWC 촉매 물품 상류의 상기 배기 가스 스트림으로 도입하는 단계; 및
    상기 백금-함유 TWC 촉매 물품 상류의 상기 배기 가스 스트림에서 H2의 부피 농도를 제어하는 단계를 포함하며, 상기 H2의 부피 농도를 제어하는 단계는 H2 도입을 조절하는 단계를 포함하는, 배기 가스 스트림을 처리하는 방법.
  45. 제44항에 있어서, 상기 H2의 부피 농도를 제어하는 단계는 H2를 상기 TWC 촉매 물품의 상류 또는 그의 내측의 배기 가스 스트림의 온도가 약 90℃ 내지 약 550℃ 범위, 또는 약 90℃ 내지 약 190℃ 범위에 있을 때 상기 배기 가스 스트림으로 도입하는 단계를 포함하는, 방법.
  46. 제44항에 있어서, H2는 약 200초 동안 도입되는, 방법.
  47. 제44항에 있어서, 상기 H2 도입을 조절하는 단계는:
    피드백 센서, 온도 센서, 또는 이들의 조합으로부터 신호를 얻는 단계 - 여기서, 상기 피드백 센서는 상기 TWC 촉매 물품의 상류에 위치하고, 상기 온도 센서는 상기 TWC 촉매 물품의 상류 또는 내측에 위치하며, 상기 두 센서 모두 배기 가스 스트림과 접촉함 -; 및
    상기 신호를 사용하여 도입되는 H2의 양을 제어하는 단계를 포함하는, 방법.
  48. 제47항에 있어서, 상기 배기 가스 스트림은 약 20 부피% 이하의 H2, 약 2 부피% 이하의 H2, 또는 약 0.5 부피% 이하의 H2를 함유하는, 방법.
  49. 제47항에 있어서,
    H2를 상기 배기 가스 스트림 내에 도입하는 단계; 및
    약 -0.345의 음의 값 이상의 Δλ 값을 일정 기간 동안 제공하는 단계를 포함하며, 여기서:
    Δλ =
    Figure pct00025
    ― λ°;
    λ°는 사전 정의된 값이며;
    Figure pct00026
    는 하기 수학식에 따라 일정 시간 동안 계산된 배기 가스 스트림의 평균 공연비인, 방법:
    Figure pct00027

    상기 식에서, (N)은 이러한 시간 길이에 포함된 지점의 수이며, λ i 는 각각의 지점에서의 공연비이다.
  50. 제49항에 있어서, Δλ는 약 ―0.060, 또는 약 ―0.014인, 방법.
  51. 제49항에 있어서, 상기 H2를 도입하는 단계는 가솔린 엔진에서 가솔린의 연소 동안 H2를 생성하는 단계를 추가로 포함하며, 여기서 H2를 생성하는 단계는 적어도 하나의 H2 생성 성분을 연소 전에 가솔린에 첨가하는 단계를 포함하는, 방법.
  52. 제51항에 있어서, 상기 적어도 하나의 H2 생성 성분은 알루미늄 나노입자, 알루미늄-니켈 나노입자, 알루미늄/실리카 나노입자, 알루미늄/코발트 나노입자, 알루미늄/마그네슘 나노입자, 알루미나 나노입자, 마그네슘 나노입자, 마그네슘-니켈 나노입자, 아연 나노입자, 수소화붕소나트륨, 또는 이들의 조합을 포함하는 도펀트를 포함하는, 방법.
  53. 제52항에 있어서, 가솔린 엔진 및 TWC 물품을 포함하는 차량을 추가로 포함하는, 방법.
  54. 제53항에 있어서, 상기 적어도 하나의 H2 생성 성분은 차량에 탑재된 가솔린에 첨가되거나, 또는 차량의 외부에서 가솔린에 첨가되는, 방법.
  55. 제44항에 있어서, 상기 H2를 도입하는 단계는 H2를 생성하는 단계를 추가로 포함하며, 여기서 상기 H2를 생성하는 단계는 배기 가스 스트림을 배기 가스 개질 촉매와 접촉시키는 단계를 포함하는, 방법.
  56. 가솔린 엔진으로부터의 가스상 배기 스트림에서 탄화수소, 일산화탄소, 질소 산화물, 및 미립자 물질 중 하나 이상의 수준을 감소시키는 방법으로서, 상기 가스상 배기 스트림을 제31항 내지 제43항 중 어느 한 항의 배기 가스 처리 시스템과 접촉시키는 단계를 포함하는, 방법.
  57. 백금-함유 TWC 촉매 물품의 냉간 시동 촉매 성능을 향상시키는 방법으로서, 상기 백금-함유 TWC 촉매 물품은 기재, 상기 기재 상에 배치된 제1 촉매 층, 및 상기 제1 층 상에 배치된 제2 촉매 층을 포함하고, 상기 제2 촉매 층은 하기:
    제1 팔라듐 성분 - 여기서 상기 제1 팔라듐 성분의 적어도 일부는 제1 내화성 금속 산화물 지지체 상에 함침되고, 상기 제1 팔라듐 성분의 적어도 다른 일부는 제1 산소 저장 성분 상에 함침됨 -; 및
    제2 내화성 금속 산화물 지지체 상에 함침된 로듐 성분을 포함하는 제2 촉매 조성물을 포함하고;
    상기 제1 촉매 층은 하기:
    제2 팔라듐 성분 - 여기서 상기 제2 팔라듐 성분의 적어도 일부는 제3 내화성 금속 산화물 지지체 상에 함침되고, 상기 제2 팔라듐 성분의 적어도 다른 일부는 제2 산소 저장 성분 상에 함침됨 -; 및
    백금 성분 - 여기서 상기 백금 성분은 제3 내화성 금속 산화물 지지체 상에 함침되거나, 또는 상기 백금 성분은 상기 제2 산소 저장 성분 상에 함침됨 -을 포함하는 제1 촉매 조성물을 포함하고;
    상기 방법은:
    배기 가스 스트림을, 가솔린 엔진의 하류에 위치하고 상기 배기 가스 스트림과 유체 연통하는 상기 백금-함유 TWC 촉매 물품과 접촉시키는 단계;
    상기 배기 가스 스트림 내의 H2의 부피 농도를 일정 기간 동안 제어하는 단계 - 상기 H2의 부피 농도를 제어하는 단계는 수소 가스(H2)를 H2 공급원에서 상기 TWC 촉매 물품 상류의 배기 가스 스트림으로 도입하는 단계를 포함함 -; 및
    피드백 센서로부터의 신호를 사용하여 H2 도입을 조절하는 단계를 포함하는, 백금-함유 TWC 촉매 물품의 냉간 시동 촉매 성능을 향상시키는 방법.
  58. 제57항에 있어서, 상기 조절 단계는 H2를 온도 센서의 신호가 약 90℃ 내지 약 190℃ 범위의 온도에 상응할 때 배기 가스 스트림으로 도입하는 단계를 포함하는, 방법.
  59. 제57항에 있어서, 상기 기간은 약 200초 이하인, 방법.
KR1020237007986A 2020-09-08 2021-09-07 배기 가스 수소 풍부화를 통한 백금-함유 촉매의 성능 향상 KR20230066347A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US202063075570P 2020-09-08 2020-09-08
US63/075,570 2020-09-08
PCT/US2021/049246 WO2022055855A1 (en) 2020-09-08 2021-09-07 Performance enhancement of a platinum-containing catalyst via exhaust gas hydrogen enrichment

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20230066347A true KR20230066347A (ko) 2023-05-15

Family

ID=80629844

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020237007986A KR20230066347A (ko) 2020-09-08 2021-09-07 배기 가스 수소 풍부화를 통한 백금-함유 촉매의 성능 향상

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20230338940A1 (ko)
EP (1) EP4211338A1 (ko)
JP (1) JP2023540743A (ko)
KR (1) KR20230066347A (ko)
CN (1) CN115989075A (ko)
BR (1) BR112023004047A2 (ko)
WO (1) WO2022055855A1 (ko)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2617255B (en) * 2022-02-18 2024-06-05 Johnson Matthey Plc Exhaust system for an ammonia-burning combustion engine
WO2023198312A1 (en) * 2022-04-14 2023-10-19 Nuovo Pignone Tecnologie - S.R.L. Method and system for removing oxygen from a carbon dioxide stream
WO2024107776A1 (en) * 2022-11-18 2024-05-23 Amogy Inc. Systems and methods for processing ammonia

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05106430A (ja) * 1991-10-16 1993-04-27 Toyota Central Res & Dev Lab Inc 内燃機関の窒素酸化物低減装置
ATE178809T1 (de) * 1993-06-25 1999-04-15 Engelhard Corp Zusammengesetzten schichtkatalysator
US5845485A (en) * 1996-07-16 1998-12-08 Lynntech, Inc. Method and apparatus for injecting hydrogen into a catalytic converter
US20070289291A1 (en) * 2006-06-14 2007-12-20 Alexander Rabinovich Apparatus and Method for NOx Reduction
CN107923288B (zh) * 2015-06-24 2021-05-04 巴斯夫公司 分层汽车催化剂复合材料

Also Published As

Publication number Publication date
CN115989075A (zh) 2023-04-18
WO2022055855A1 (en) 2022-03-17
EP4211338A1 (en) 2023-07-19
JP2023540743A (ja) 2023-09-26
US20230338940A1 (en) 2023-10-26
BR112023004047A2 (pt) 2023-04-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2504431C2 (ru) УДЕРЖИВАЮЩИЕ NOx МАТЕРИАЛЫ И ЛОВУШКИ, УСТОЙЧИВЫЕ К ТЕРМИЧЕСКОМУ СТАРЕНИЮ
CN113260454B (zh) 层状三元转化(twc)催化剂和制造所述催化剂的方法
US8950174B2 (en) Catalysts for gasoline lean burn engines with improved NH3-formation activity
US9242242B2 (en) Catalyst for gasoline lean burn engines with improved NO oxidation activity
US20220203339A1 (en) Layered catalytic article and method of manufacturing the catalytic article
US20230338940A1 (en) Performance enhancement of a platinum-containing catalyst via exhaust gas hydrogen enrichment
KR102630312B1 (ko) 인 저항성 삼방향 촉매
US20220212170A1 (en) Catalytic article and method of manufacturing the catalytic article
EP2611536B1 (en) Catalyst for gasoline lean burn engines with improved nh3-formation activity
US20240058791A1 (en) Platinum group metal catalyst composition for twc application
EP3703853A1 (en) Niobium oxide doped materials as rhodium supports for three-way catalyst application
KR20220002926A (ko) 금속 산화물 나노입자 기반 촉매 및 이의 제조 및 사용 방법
KR102651643B1 (ko) 비금속으로 도핑된 산화 지르코늄 촉매 지지 물질
KR20220022906A (ko) 배기관 촉매를 함유하는 자동차용 삼원 촉매 시스템
KR20230065263A (ko) 배기 가스의 수소 풍부를 통한 촉매의 성능 향상
US20220154612A1 (en) Catalyzed gasoline particulate filter
KR20240000565A (ko) 근접-결합된 엔진 적용을 위한 백금-함유 삼원 촉매
KR20230084489A (ko) 삼원 전환 촉매적 물품