催化转化器的制造方法
【专利说明】催化转化器
[0001] 发明背景 1.发明领域
[0002] 本发明涉及容纳且固定在构成废气排放系统的管中的催化转化器。
[0003] 2.相关技术描述
[0004] 在全球规模上在大量工业中进行了多种努力以降低环境负荷。在这些中，在汽车 工业内，不言而喻的是开发显示出优异燃料经济性的汽油机车辆，并且所谓节能环保汽车 的普及以及进一步改进这些节能环保汽车的性能的发展日益进展。节能环保汽车的实例包 括混合动力车辆和电动车辆。除涉及这类节能环保汽车的发展外，积极地进行了对控制发 动机排放的废气的废气控制催化剂的研究。这些废气控制催化剂的实例包括氧化催化剂、 三效催化剂和NOx吸着/还原催化剂。实现这些废气控制催化剂中的催化活性的组分为贵金 属催化剂如铂(Pt)、钯(Pd)或铑(Rh)。贵金属催化剂通常通过负载在由多孔氧化物如氧化 铝(Al 2O3)组成的载体上而使用。
[0005] 由车辆发动机引导至消声器的废气排放系统通常包含用于净化废气的催化转化 器。发动机可能排放环境有害的物质，例如C0、N0x、未燃烧HC和V0C。为将这些有害物质转化 成可接受的物质，使废气通过催化转化器，所述催化转化器通过将催化剂层置于基础材料 中的孔表面上而得到，所述催化剂层通过将贵金属催化剂如Rh、Pd或Pt负载在载体上而得 到。存在于通过催化转化器的废气中的CO转化成C0 2,存在于废气中的NOx转化成仏和02,且 存在于废气中的VOC燃烧产生COdra 2O。
[0006] 用于负载贵金属催化剂的载体的实例为Ce〇2-Zr〇2固溶体。Ce〇2-Zr〇2固溶体可作 为CZ材料或氧化铈（二氧化铈)-氧化锆基复合氧化物得到。这些也可作为助催化剂得到。 CeO2为同时除去存在于废气中的有害组分C0、N0x和HC的三效催化剂的基本组分，也是这些 助催化剂的基本组分。取决于Ce〇2暴露于其下的废气中的氧气分压，存在于助催化剂中的 Ce的氧化值变为Ce3+或Ce4+。因此，存在于助催化剂中的CeO2实现吸收和释放氧气以补偿电 荷的过量或不足的功能以及储存氧气的功能(储氧能力(OSC))。因此，CeO 2可吸收和减轻废 气气氛中的波动，并且可保持接近化学计量空气-燃料比的空气-燃料比以保持三效催化剂 的净化窗。
[0007] 从观点如降低稀有金属等的材料风险和确保成本竞争性看，理想的是降低这类三 效催化剂中贵金属催化剂的用量。然而，如果三效催化剂中贵金属催化剂的量极大地降低， 则催化剂活性极大降低，并且0SC、低温活性和高温环境中的NOx净化性能显著劣化。即，如 果贵金属催化剂的量极大降低，则活性部位的数目极大降低，催化反应部位的数目极大降 低，因此净化性能显著劣化。
[0008] 在三效催化剂中所用的贵金属催化剂如Pt、Pd和Rh中，Rh显示出最好的NOx净化性 能，但Rh的单位重量市场价是最高的。另外，应当理解Rh通过负载于包含氧化铈(二氧化铈） 的载体上而显示出高OSC。同时，应当理解存在冲突，其中当载体中氧化铈的量提高时，Rh的 NOx净化性能劣化。因此，当使用Rh作为三效催化剂中的贵金属催化剂时，理想的是产生其 中OSC和NOx净化性能都最佳化的三效催化剂。
[0009] 贵金属催化剂和载体的性能取决于所用组分而改变。因此，关于产生最佳的三效 催化剂，勤勉地研究了分区涂覆催化剂，其中不同的组分提供于基础材料的上游侧和下游 侧上以有效利用各组分的性能。
[0010] 日本专利申请公开No.2012-040547(JP 2012-040547 A)涉及这种分区涂覆催化 剂并公开了废气净化催化剂，所述催化剂具有形成废气流过的气体通道的基础材料和在基 础材料上形成的催化剂层。更具体而言，催化剂层由下部催化剂层、前面上部催化剂层和后 面上催化剂层构成。下部催化剂层在基础材料上形成。前面上部催化剂层覆盖废气流方向 上下部催化剂层表面的上游侧。后面上催化剂层覆盖气流方向上比前面上部催化剂层更远 下游侧的下部催化剂层的表面。下部催化剂层负载Pd和Pt中的至少一种，后面上催化剂层 负载Rh且前面上部催化剂层负载PcL前面上部催化剂层的负载Pd载体为含Y 2O3的ZrO2复合 氧化物。通过使用该构型，可满意地利用催化贵金属的净化特性，还可提高催化剂的低温净 化性能。另外，通过使用具有低比热容并显示出优异的耐热性的含Y 2O3的ZrO2复合氧化物作 为前面上部催化剂层的载体材料，可确保耐热性，同时改进催化剂的温度提高性能还可实 现持续的催化剂加热性能。
[0011] 同时，日本专利申请公开No.2012-152702(JP 2012-152702 A)公开了废气清洁催 化剂，所述催化剂具有基质，在基质上形成且包含Pd和Pt中的至少一种的下部催化剂层，和 在下部催化剂层上形成且包含Rh的上部催化剂层。废气清洁催化剂的废气上游侧具有不包 含上部催化剂层的区域。下部催化剂层由在废气上游侧上的前面下部催化剂层和在废气下 游侧上的后面下部催化剂层组成。前面下部催化剂层包含氧吸收/释放材料。通过使用该构 型，可显著抑制各催化剂层中，特别是在废气下游侧上的后面下部催化剂层和上部催化剂 层中负载的各催化剂金属的颗粒生长。此外，通过提供其中废气上游侧不包含上部催化剂 层的区域，可提高HC向前面下部催化剂层内部的扩散性，还可促进前面下部催化剂层中的 HC净化，因此实现满意的催化剂加热性能。
[0012] 此外，日本专利申请公开No.2012-020276(JP 2012-020276 A)公开了废气净化催 化剂，其中构成废气净化催化剂的催化剂层由下部催化剂层、前面上部催化剂层和后面上 部催化剂层构成。下部催化剂层在基质上形成。前面上部催化剂层覆盖废气流方向上下部 催化剂层表面的上游侧。后面上部催化剂层覆盖气流方向上比前面上部催化剂层更远的下 游侧上下部催化剂层的表面。此处，下部催化剂层负载Pd和Pt中的至少一种。另外，前面上 部催化剂层负载PcU且后面上部催化剂层负载Rh。前面上部催化剂层中的带Pd密度为4.5-12质量％。通过使用该构成，可满意地利用催化贵金属的催化特性，也可提高催化剂的低温 净化性能。
[0013] 如上所示，存在关于分区涂覆催化剂的许多特征。然而，本发明的发明人再检查了 分区涂覆催化剂的结构，并成功地提议显示出优异OSC性能和NOx净化性能的催化转化器。
[0014] 发明概述
[0015] 本发明提供显示出优异OSC性能和NOx净化性能的催化转化器。
[0016] 根据本发明一方面的催化转化器包含基础材料和催化剂层。基础材料具有废气流 过的多孔结构。催化剂层在基础材料中的孔壁表面上形成。催化剂层具有下部催化剂层和 上部催化剂层。下部催化剂层沿着基础材料的整个长度在基础材料的表面上提供。上部催 化剂层由第一上部催化剂层和第二上部催化剂层构成。第一上部催化剂层在废气流方向上 在下部催化剂层表面的上游侧上形成。基础材料的上游侧末端为第一上部催化剂层的起 点。第二上部催化剂层在废气流方向上在下部催化剂层表面的下游侧上形成。基础材料的 下游侧末端为第二上部催化剂层的起点。下部催化剂层由载体和负载在载体上的钯形成。 第一上部催化剂层由第一载体和负载在第一载体上的铑形成，所述第一载体由含二氧化铈 的氧化物形成。第二上部催化剂层由第二载体和负载在第二载体上的铑形成，所述第二载 体由选自氧化锆和氧化铝且不含二氧化铈的一种氧化物形成。废气流方向上第一上部催化 剂层的长度为基础材料总长度的30-70%。废气流方向上第二上部催化剂层的长度为通过 从基础材料总长度中减去第一上部催