用于催化剂一体化的成形的陶瓷基材组合物的制作方法
【专利说明】
[_1 ] 相关申请的交叉参考
[0002] 本申请根据35U.S.C.§120要求于2013年05月30日提交的美国专利申请系列号13/ 906，108的优先权权益，本文以该申请为基础并将其全部内容结合于此。
[0003] 说明书
技术领域
[0004] 本发明涉及成形的陶瓷基材，和它们的组合物。在本发明的各种实施方式中，成形 的陶瓷基材可用作催化剂的载体。在其它实施方式中，成形的陶瓷基材的化学组成可与所 述催化剂具有低水平的化学相互作用。
[0005] 罝量
[0006] 包括但不限于高表面积结构的成形的陶瓷基材可用于不同应用。例如，可将这种 成形的陶瓷基材用作催化剂的载体来实施化学反应或者用作吸附剂或过滤器来从流体例 如气流和液体流捕集颗粒、液体或气体物质。作为非限制性例子，一些活性碳体，例如蜂窝 体形状的活性炭体，可用作催化剂基材或用于从气流捕集重金属。
[0007] 目前，对成形的陶瓷基材例如堇青石和钛酸铝基产品的化学组成的关注较少，因 为没有报道过化学相互作用。许多现有产品目标是高孔隙率，用于选择性催化还原(SCR)催 化剂的一体化。然而，这些产品中的至少一些显示不利的杂质范围，并报道了相互作用，例 如与金属基催化剂的相互作用。因此，本领域需要制备能与更宽范围的SCR催化剂兼容的成 形的陶瓷基材。
[0008] 挺塗
[0009] 根据本发明的各种示例实施方式，批露成形的陶瓷基材。在至少一些实施方式中， 成形的陶瓷基材包含氧化物陶瓷材料。在至少一些示例实施方式中，本文所述的成形的陶 瓷基材可允许基本上保持催化活性。在各种示例实施方式中，成形的陶瓷基材包含较低的 元素碱金属或碱土金属含量，例如小于约1400百万分之份数（parts per million) ("ppm"），小于约1200ppm,或小于约lOOOppm。在其它示例实施方式中，成形的陶瓷基材包含 较低的元素碱金属含量，例如小于约lOOOppm,小于约800ppm,小于约750，小于约650ppm,或 小于约500ppm。在其它示例实施方式中，成形的陶瓷基材包含较低的钠含量，例如小于约 lOOOppm,小于约800ppm,小于约750，小于约650ppm,或小于约500ppm。在其它不例实施方式 中，氧化物陶瓷材料选自堇青石相、钛酸铝相和熔融石英中的至少一种。在一些实施方式 中，氧化物陶瓷材料是堇青石/莫来石(mullite)/钛酸铝（"CMAT"）组合物。
[0010] 如本文所使用，术语，"元素碱金属或碱土金属浓度小于约1400ppm"指总碱金属或 碱土金属小于约0.14重量％，其中该碱金属或碱土金属包含锂、钠、钾、铷、铯、钫、铍、钙、 锶、钡和镭中的任意一种。如本文所使用，术语，"元素碱金属浓度小于约lOOOppm"指总碱金 属小于约0.10重量％，其中该碱金属包含锂、钠、钾、铷、铯和钫中的任意一种。
[0011] 又根据其它示例实施方式中，批露了复合材料体，和制备复合材料体的方法，该复 合材料体具有基本上保持的催化活性。在一些实施方式中，一种制备在热老化之后具有基 本上保持的BET表面积的复合材料体的方法包含下述步骤:提供由包含含有氧化物的形成 陶瓷的材料的基材组合物制备的成形的陶瓷基材，其中选择基材组合物的批料组分，从而 成形的陶瓷基材中的元素碱金属或碱土金属的含量小于约1400ppm，以及将至少一种催化 剂施加到该成形的陶瓷基材。在一些实施方式中，选择基材组合物的批料组分，从而成形的 陶瓷基材中的元素碱金属的含量小于约1200ppm或小于约lOOOppm。在一些其它实施方式 中，选择基材组合物的批料组分，从而成形的陶瓷基材中元素钠的含量小于约1200ppm或小 于约lOOOppm。在一些实施方式中，含有氧化物的形成陶瓷的材料选自堇青石相、钛酸铝相 和熔融石英。又在其它示例性实施方式中，氧化物陶瓷材料是CMAT组合物。
[0012] 根据本发明的各种实施方式，本文所述的基材组合物可具有高孔隙率，例如大于 约55%的孔隙率。
[0013] 根据本发明的各种其它实施方式，本文所述的复合材料体具有较低热膨胀系数， 例如在约25°C到约800°C的范围具有小于约3xl(T 6/°C的热膨胀系数。
[0014] 前面的概括描述和下文的详细描述都只是示例性的，并不限制本发明。除了在说 明书中描述的那些以外，还可提供其它特征和变体。例如，本发明描述在详细描述部分批露 的特征的各种组合和子组合。此外，应指出除非明确说明，否则当批露步骤时，不必按照该 顺序来实施该步骤。
[0015] 附图简要说明
[0016]图1的条形图显示在热老化之后的铜菱沸石（"Cu/CHA"）沸石表面积损失以及与沸 石混合的堇青石陶瓷中的单个元素的浓度之间的决定系数R2的数值。表面积损失和陶瓷的 钠含量之间的关系表明需要在成形的陶瓷基材中保持较低的钠含量，从而保持高BET表面 积，即在热老化之后的高催化活性。
[0017] 图2显示在热老化之后Cu/CHA沸石中的百分比BET表面积损失随与沸石混合的堇 青石陶瓷粉末中的钠的浓度的变化。矩形区域描绘了本发明的一些实施方式，其中陶瓷中 的钠浓度小于约l〇〇〇ppm，小于约800ppm,小于约650ppm,和小于约500ppm。空心圆圈表不在 不存在陶瓷粉末的情况下对沸石进行老化。
[0018] 图3的条形图显示3种钛酸铝陶瓷示例的单个元素中的每一种的浓度。
[0019]图4A的图片显示N0转化率随反应温度的变化。
[0020]图4B的条形图显示在350°C下相对于参比组合物的组合物C1和C2的N0转换效率。 [00211图5的条形图显示新鲜的和热老化的CuCHA/AT HP组合物的XRD里特维尔德 (Rietveld)结果。
[0022]图6的扫描电子显微图片显示邻近含铜的沸石催化剂（明亮区域）的含钠的玻璃 (暗的穴)的区域。
[0023] 图7的图片显示在600°C或800°C下老化5小时的实施例C1和C2的SAP0-34沸石外涂 层(washcoat)中的CuO的浓度随着相同沸石外涂层的Na2〇浓度的变化，如通过在样品之内 的不同位置的电子探针微观分析所测定。还比较了于在存在陶瓷基材时进行热老化之前的 SAP0-34沸石外涂层中CuO的浓度，以及在用铜完全交换钠之后相同沸石外涂层的预测的组 成。
[0024] 示例性实施方式的说明
[0025]根据一种示例实施方式，批露成形的陶瓷基材，其元素碱金属浓度或碱土金属浓 度小于约1400ppm。根据另一种示例实施方式，批露成形的陶瓷基材，其元素碱金属浓度小 于约lOOOppm。在一些实施方式中，成形的陶瓷基材的元素钠浓度小于约lOOOppm。如本文所 使用，术语，"元素钠浓度小于约lOOOppm"指小于约0.10重量％的似，或小于约0.13%的 Na20。在各种实施方式中，成形的陶瓷基材的孔隙率可为至少约50%，例如至少约60%。
[0026] 在一些示例性实施方式中，成形的陶瓷基材主要由堇青石相、钛酸铝相或熔融石 英组成。又在其它示例性实施方式中，成形的陶瓷基材主要包含CMAT组合物。如本文所使 用，术语"主要"指至少约50重量％，例如至少约60重量％、至少约70重量％或至少约75重 量％。重量百分比可测量为成形的陶瓷基材的总晶相的重量百分比。该百分比可通过本技 术领域所公知的任意方式来测量，例如通过里特维尔德(RietvelcOX-射线衍射法。
[0027] 又在其它实施方式中，成形的陶瓷基材可包含催化剂。例如，成形的陶瓷基材可用 沸石催化剂例如含铜的沸石(例如Cu/CHA)进行涂覆，且可为复合材料体。作为非限制性例 子，这种复合材料体可用作尾气颗粒过滤器或基材，例如用于通过柴油或汽油内燃机提供 动力的车辆。在各种非限制性实施方式中，复合材料体可为蜂窝体的形式。
[0028] 已发现，取决于沸石类型，在典型的老化条件例如暴露于升高的温度(例如高于约 700°C)和水热条件(例如水蒸气含量为约1-15 % )下，陶瓷基材材料例如堇青石或钛酸铝基 材材料和沸石催化剂之间可出现相互作用。在至少一些实施方式中，本文所述的成形的陶 瓷基材组合物的较低的碱金属或碱土金属含量可导致减少在这种典型的热老化条件下与 沸石催化剂例如Cu/CHA沸石的相互作用。
[0029] 因此，在一些实施方式中，本文所述的成形的陶瓷基材的碱金属含量可小于约 lOOOppm,例如小于约800ppm,小于约650ppm