一种用于摩托车尾气处理的催化转化器及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于摩托车尾气处理的催化转化器。该催化转化器包括金属载体和涂覆在金属载体表面的催化剂涂层，金属载体由外壳和芯体组成，其中：金属载体由A1段、A2段和A3段组成，A1段位于进气段，A3段位于出气段，A2段位于A1段和A3段之间，其中A1段、A2段和A3段的长度比为0.5～5:0～0.5:1；所述铁系催化剂涂层涂覆在A1段外表面，贵金属催化剂涂层涂覆在A3段外表面，A2段无芯体。本发明通过控制铁系催化剂涂层和贵金属催化剂涂层的涂覆长度以及催化剂活性成分在相应催化剂涂层中的重量百分比含量，使摩托车尾气经过铁系催化剂涂层处理后，其过量空气系数组分由0.93～1.03转变为0.97～1.03，增强了贵金属催化剂涂层对尾气的处理能力，进而提高催化转化器的活性和耐久性能。
【专利说明】一种用于摩托车尾气处理的催化转化器及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种催化转化器，特别涉及一种用于摩托车尾气处理的催化转化器及其制备方法。
【背景技术】
[0002]国家摩托车废气排放法规越来越严格，使得提高废气后处理技术成为同行业人士的关注重点。目前，主要技术方向是通过优化发动机的性能和使用催化转化器来共同处理摩托车废气中的污染物(如一氧化碳，氮氧化物，碳氢化合物等)，以满足国家对污染物排放的限制。
[0003]随着人们对摩托车性价比的不断追求，对催化转化器的性价比也提出了更高的要求。人们希望用更便宜的催化转化器，来达到国家对排放限值的要求。其中，引入比贵金属更廉价的铁系元素来部分代替贵金属被广泛研究。现有的涂覆有含铁系的贵金属催化剂涂层的催化转化器大多是将铁系催化剂和贵金属催化剂放置在同一涂层或者将铁系催化剂和贵金属催化剂放置在催化转化器同一段的不同涂层。
[0004]目前摩托车的燃油喷射技术主要是通过机械方式，即化油器控制，其控制精确度低，导致摩托车尾气的过量空气系数组分为0.93?1.03，而适宜于贵金属催化剂工作的过量空气系数组分为0.97?1.03。将铁系催化剂和贵金属催化剂放置在同一涂层或者将铁系催化剂和贵金属催化剂放置在催化转化器同一段的不同涂层，会由于贵金属催化剂表面的反应气氛无法达到最佳条件，从而影响催化转化器的活性及耐久性。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种用于摩托车尾气处理的催化转化器。该催化转化器将铁系催化剂涂层和贵金属催化剂涂层分别涂覆在金属载体的进气段和出气段，并通过控制铁系催化剂涂层和贵金属催化剂涂层的涂覆长度以及催化剂活性成分在相应催化剂涂层中的重量百分比含量，使摩托车尾气经过铁系催化剂涂层处理后，其过量空气系数组分由0.93?1.03转变为0.97?1.03，增强了贵金属催化剂涂层对尾气的处理能力，进而提高催化转化器对摩托车尾气中的一氧化碳、氮氧化物和碳氢化合物的转化率，同时该催化转化器耐久性能好，生产成本低。
[0006]本发明还提供了所述催化转化器的制备方法。
[0007]为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案:
[0008]本发明用于摩托车尾气处理的催化转化器，包括金属载体和涂覆在金属载体表面的催化剂涂层，金属载体由外壳和芯体组成，其特征在于:所述金属载体由Al段、A2段和A3段组成，Al段位于进气段，A3段位于出气段，A2段位于Al段和A3段之间，其中Al段、A2段和A3段的长度比为0.5?5:0?0.5:1 ;所述催化剂涂层由铁系催化剂涂层和贵金属催化剂涂层组成；所述铁系催化剂涂层涂覆在Al段外表面，铁系催化剂涂层中的活性成分为铁系元素的金属氧化物；所述贵金属催化剂涂层涂覆在A3段外表面，贵金属催化剂涂层中的活性成分为钼系元素的金属氧化物；A2段无芯体。
[0009] 申请人:经多次重复性试验，得出将铁系催化剂和贵金属催化剂分段涂覆在催化转化器的进气段和出气段，可有效提高催化转化器的活性和耐久性。当Al段、A2段和A3段的长度比为0.5?5:0?0.5:1时，可以加强铁系催化剂和贵金属催化剂的协同作用，使其不仅具有铁系催化剂的优势，还使贵金属催化剂具有更优的作用。这是因为，铁系催化剂涂层除了能处理尾气中的C0、HC和NOx，还能将过量空气系数组分由0.93?1.03转化为适合于贵金属催化剂涂层工作的0.97?1.03，使贵金属催化剂涂层对摩托车尾气中的一氧化碳、氮氧化物和碳氢化合物处理得更加彻底。
[0010]本发明优选Al段、A2段和A3段的长度比为0.5?5:0.1?0.5:1。在Al段和A3段之间设置A2段，A2段中金属载体不含芯体，为中空结构；当尾气通过Al反应后，在A2段进行第二次混合，二次混合有效地将尾气中的氧化气体和还原气体充分结合在一起，然后进入A3段，更有利于提高A3段尾气的转化率。本发明进一步优选Al段、A2段和A3段的长度比为0.8?1.2:0.2?0.3:1，最佳优选为1:0.22:1。通过以上优选，可以进一步提高铁系催化剂和贵金属催化剂的利用率及其协同催化作用，使该催化转化器具有更好的活性和耐久性。
[0011]本发明优选催化转化器的长度为70?120_，当催化转化器的长度大于120_时，会导致通过催化转化器前后气体的压强差值过大，从而影响发动机的燃烧状态(降低摩托车的燃油经济性)，可使摩托车尾气排放更恶劣，最终导致排放不达标；若催化转化器的长度小于70_时，摩托车尾气在催化转化器中停留的时间过短，不利于催化转化器发挥催化作用。本发明进一步优选催化转化器的长度为90?100mm,最佳优选为100mm。
[0012]本发明所述铁系元素选自铁、钴、镍中的一种或几种；所述钼系元素选自钼、钯、铑、锇、铱、钌中的一种或几种。催化剂活性成分的含量对催化剂的催化性能影响很大。优选地，铁系元素的金属氧化物在铁系催化剂涂层中的重量百分比含量为0.5?15% ;钼系元素的金属氧化物在贵金属催化剂涂层中的重量百分比含量为0.5?15%。
[0013]所述铁系元素的金属氧化物一部分负载在储氧材料上，一部分负载在氧化铝上。优选地，所述铁系元素的金属氧化物负载在储氧材料上的重量与负载在氧化铝上的重量之比为1.3?1.5:1 ;所述钼系元素的金属氧化物一部分负载在储氧材料上，一部分负载在氧化铝上，所述钼系元素的金属氧化物负载在储氧材料上的重量与负载在氧化铝上的重量之比为I?8:1。负载在储氧材料上的铁系催化剂活性成分有利于尾气中CO氧化和NOx还原的化学反应，负载在氧化铝上的铁系催化剂活性成分有利于HC氧化的化学反应；而负载在储氧材料上的贵金属催化剂活性成分有利于尾气中CO和02、CO和NOx的化学反应，负载在氧化铝上的贵金属催化剂活性成分有利于HC和O2的化学反应。本发明针对摩托车尾气，通过以上优选，可以增强催化转化器对摩托车尾气的处理效果。
[0014]所述储氧材料为氧化铈、铈锆固溶体或氧化铈和氧化锆的混合物，所述铈锆固溶体还包括用镧、镨、钕、钇等稀土元素改良的固溶体。
[0015]本发明优选Al段铁系催化剂涂层的涂覆量为40?140g/L，A3段贵金属催化剂涂层的涂覆量为100?180g/L。当Al段催化剂涂层的涂覆量小于40g/L，A3段催化剂涂层的涂覆量小于100g/L，会降低催化转化器对尾气中一氧化碳、氮氧化物和碳氢化合物的转化率；而当Al段催化剂涂层的涂覆量大于140g/L，A3段催化剂涂层的涂覆量大于180g/L，会导致涂层脱落风险增大，摩托车整车的背压增大，不利于催化转化反应。
[0016]本发明所述金属载体由载体外壳和内芯两部分组成，其中金属外壳为不锈钢，内芯为铁铬铝。
[0017]本发明所述催化转化器的制备方法，包括如下步骤:
[0018](I)将铁系盐分别浸溃在储氧材料和氧化铝上，干燥，焙烧，混合均匀，制成粉料I;
[0019](2)将贵金属盐浸溃在储氧材料和氧化铝上，干燥，焙烧，混合均匀，制成粉料II ;
[0020](3)将粉料1、氧化铝、醋酸和纯水混合，球磨制成浆料Jl ；
[0021](4)将粉料I1、氧化铝、醋酸和纯水混合，球磨制成浆料J2 ；
[0022](5)将浆料Jl涂覆在金属载体Al段外表面，干燥，500?600°C焙烧I?3h，得半成品；
[0023](6)将浆料J2涂覆在步骤(5)所得半成品的A3段外表面，干燥，500?600°C焙烧I?3h，即得催化转化器。
[0024]在上述制备方法中，所述步骤(I)中铁系盐选自铁系元素的硝酸盐、醋酸盐或硫酸盐；所述步骤(2)中贵金属盐选自贵金属元素的硝酸盐、醋酸盐或硫酸盐。
[0025]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0026](I)本发明所述催化转化器将铁系催化剂涂层和贵金属催化剂涂层分别涂覆在金属载体的进气段和出气段，并通过控制铁系催化剂涂层和贵金属催化剂涂层的涂覆长度以及催化剂活性成分在相应催化剂涂层中的重量百分比含量，使摩托车尾气经过铁系催化剂涂层处理后，其过量空气系数组分由0.93?1.03转变为0.97?1.03，增强了贵金属催化剂涂层对尾气的处理能力，进而加强铁系催化剂和贵金属催化剂的协同作用。与将铁系催化剂和贵金属催化剂放置在同一涂层或者将铁系催化剂和贵金属催化剂放置在同一段不同涂层的催化转化器相比，可以更加有效地处理摩托车尾气中一氧化碳、氮氧化物和碳氢化合物，同时具有更佳的耐久性能。
[0027](2)本发明在催化转化器的Al段和A3段之间设置一段中空段A2段。当尾气通过催化转化器的Al段反应后，在A2段进行第二次混合，二次混合有效的将尾气中的氧化气体和还原气体充分结合在一起，然后进入A3段反应，更有利于提高A3段尾气的转化率。与没有设置中空段的催化转化器相比，成本更低，铁系催化剂和贵金属催化剂的利用率更高，协同催化作用更强。
【具体实施方式】
[0028]下面结合试验例及【具体实施方式】对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本
【发明内容】
所实现的技术均属于本发明的范围。
[0029]实施例1
[0030](I)粉料的制备
[0031]①将硝酸钯16.03g浸溃在97.5g储氧材料上，具体方法为将硝酸钯16.03g倒入在2L的塑料杯中，再向塑料杯中加水至溶液为200g,搅拌IOmin,然后加入储氧材料97.5g,搅拌lh，将搅拌后的粉料放入烘箱中干燥，干燥温度为90°C，干燥时间为6h，将干燥后的粉料放入马弗炉中焙烧，焙烧温度为550°C，焙烧时间为2h ;制成粉料Dl，Dl中钯的重量百分比含量为2.5% ;
[0032]②将硝酸钯16.03g浸溃在97.5g氧化铝材料上，制成粉料D2，D2中钯的重量百分比含量为2.5% ;
[0033]③将硝酸钼0.69g浸溃在99.8g储氧材料上，制成粉料Pl，Pl中钼的重量百分比含量为0.22% ；
[0034]④将硝酸铑2.39g浸溃在99.8g储氧材料上，制成粉料Hl，Hl中铑的重量百分比含量为0.22% ；
[0035]⑤将硝酸铁17.68g浸溃在96.5g储氧材料上，制成粉料Tl，Tl中铁的重量百分比含量为3.5% ；
[0036]⑥将硝酸铁12.63g浸溃在97.5g氧化铝材料上，制成粉料T2，T2中铁的重量百分比含量为3.5%。
[0037]上述储氧材料为铈锆固溶体。
[0038](2)准备金属载体,载体规格为:孔目数300cell/in2,壁厚1.0mm,外直径Φ45ι?πι,金属载体长100mm，其中Al段、A2段和A3段的长度比为1: 0.22:1。
[0039](3)取57gTl、40gT2，3g氧化铝、3g醋酸和100g纯水混合，球磨制成浆料Jl，Jl的固体含量为50% ；
[0040](4)取2(^01、11.64802，32.688?1，32.688!11、38氧化铝、38醋酸和 100g 纯水混合，球磨制成浆料J2，J2的固体含量为50% ；
[0041](5)将浆料Jl涂覆在Al段外表面，涂覆量为铁系催化剂140g/L，然后干燥，550°C焙烧2h，得半成品；
[0042](6)将浆料J2涂覆在A3段外表面，涂覆量为150g/L，然后干燥，550°C焙烧2h，即
得催化转化器。
[0043]本实施例制备的催化转化器，Fe2O3在铁系催化剂涂层中的重量百分比含量为
3.40%，其中2.00%负载在储氧材料上，1.40%负载在氧化铝上。氧化钯、氧化钼、氧化铑(Pt、Pd、Rh的重量比为l:ll:l，40g/ft3)在贵金属催化剂涂层中的重量百分比含量总计为0.935%，其中0.823%负载在储氧材料上，0.112%负载在氧化铝上。
[0044]实施例2
[0045](I)将硝酸锇60.23g浸溃在66.92g储氧材料上，制成粉料Dl ;将硝酸锇60.23g浸溃在66.92g氧化铝材料上，制成粉料D2 ;将硝酸铱21.34g浸溃在97.09g储氧材料上，制成粉料Pl ;将硝酸钌25.67g浸溃在97.09g储氧材料上，制成粉料Hl ;将硝酸钴46.13g浸溃在89.69g储氧材料上，制成粉料Tl ;将硝酸铁52.08g浸溃在89.69g氧化铝材料上，制成粉料T2。
[0046]上述储氧材料为铈锆固溶体。
[0047](2)准备金属载体,载体规格为:孔目数300cell/in2,壁厚1.0mm,外直径Φ45ι?πι,金属载体长120mm，其中Al段、A2段和A3段的长度比为0.5:0.5:1。
[0048](3)取57gTl、40gT2，3g氧化铝、3g醋酸和100g纯水混合，球磨制成浆料Jl，Jl的固体含量为50% ；
[0049](4)取2(^01、11.64802，32.688?1，32.688!11、38氧化铝、38醋酸和 100g 纯水混合，球磨制成浆料J2，J2的固体含量为50% ；
[0050](5)将浆料Jl涂覆在Al段外表面，涂覆量为铁系催化剂140g/L，然后干燥，500°C焙烧lh，得半成品；
[0051](6)将浆料J2涂覆在A3段外表面，涂覆量为150g/L，然后干燥，500°C焙烧lh，即
得催化转化器。
[0052]本实施例制备的催化转化器，氧化钴、氧化铁在铁系催化剂涂层中的重量百分比含量总计为10%，其中5.88%负载在储氧材料上，4.12%负载在氧化铝上。氧化锇、氧化铱、氧化钌在贵金属催化剂涂层中的重量百分比含量总计为12%，其中10.56%负载在储氧材料上，1.44%负载在氧化铝上。
[0053]实施例3
[0054](I)将硝酸钯8.85g浸溃在98.62g储氧材料上，制成粉料Dl ;将硝酸钯8.85g浸溃在98.62g氧化铝材料上，制成粉料D2 ;将硝酸钼0.38g浸溃在99.9g储氧材料上，制成粉料Pl ;将硝酸铁1.88g浸溃在99.95g储氧材料上，制成粉料Tl ;将硝酸镍2.13g浸溃在99.95g氧化铝材料上，制成粉料T2。
[0055]上述储氧材料为铈锆固溶体。
[0056](2)准备金属载体,载体规格为:孔目数300cell/in2,壁厚1.0mm,外直径Φ45ι?πι,金属载体长70mm，其中Al、A2段和A3段的长度比为5:0:1。
[0057](3)取57gTl、40gT2，3g氧化铝、3g醋酸和100g纯水混合，球磨制成浆料Jl，Jl的固体含量为50% ；
[0058](4)取2(^01、11.64802，65.368?1，38氧化铝、38醋酸和100g纯水混合，球磨制成浆料J2，J2的固体含量为50% ；
[0059](5)将浆料Jl涂覆在Al段外表面，涂覆量为铁系催化剂80g/L，然后干燥，600°C焙烧lh，得半成品；
[0060](6)将浆料J2涂覆在A3段外表面，涂覆量为150g/l，然后干燥，600°C焙烧lh，即
得催化转化器。
[0061 ] 本实施例制备的催化转化器，氧化铁和氧化镍在铁系催化剂涂层中的重量百分比含量总计为0.5%，其中0.29%负载在储氧材料上，0.21%负载在氧化铝上。氧化钯、氧化钼在贵金属催化剂涂层中的重量百分比含量总计为0.5%，其中0.44%负载在储氧材料上，0.06%负载在氧化铝上。
[0062]实施例4
[0063](I)将硝酸钯99.15g浸溃在84.54g储氧材料上，制成粉料Dl ;将硝酸铑167.95g浸溃在84.54g氧化铝材料上，制成粉料D2 ;将硝酸铁78.1Og浸溃在84.54g储氧材料上，制成粉料Tl ;将硝酸铁78.1Og浸溃在84.54g氧化铝材料上，制成粉料T2。
[0064]上述储氧材料为铈锆固溶体。
[0065](2)准备金属载体,载体规格为:孔目数300cell/in2,壁厚1.0mm,外直径Φ45ι?πι,金属载体长90mm，其中Al段、A2段和A3段的长度比为3:0.3:1。
[0066](3)取57gTl、40gT2，3g氧化铝、3g醋酸和100g纯水混合，球磨制成浆料Jl，Jl的固体含量为50% ；
[0067](4)取57gDl、40gD2，3g氧化铝、3g醋酸和100g纯水混合，球磨制成浆料J2，J2的固体含量为50% ；
[0068](5)将浆料Jl涂覆在Al段外表面，涂覆量为铁系催化剂100g/L，然后干燥，600°C焙烧lh，得半成品；
[0069](6)将浆料J2涂覆在A3段外表面，涂覆量为150g/L，然后干燥，600°C焙烧lh，即
得催化转化器。
[0070]本实施例制备的催化转化器，氧化铁在铁系催化剂涂层中的重量百分比含量为15%，其中8.81%负载在储氧材料上，6.19%负载在氧化铝上。氧化钯和氧化铑在贵金属催化剂涂层中的重量百分比含量总计为15%，其中8.81%负载在储氧材料上，6.19%负载在氧化招上。
[0071]试验例I
[0072]将实施例1~4制备的催化转化器进行活性评价试验。试验条件如下所示:
[0073]气体体积组成:丙烷600ppm,丙烯1200ppm,氮氧化合物600ppm, —氧化碳5.6%~2.0%，二氧化碳10%，水蒸气10%，氧气1.0~2.0%，氮气平衡气，空速8000(?-1,通过调节C0/02的比例来改变过量空气系数的范围0.93~1.03。平均净化率的测试条件为400°C。
[0074]表1实施例1~4所述催化转化器的活性评价结果
[0075]
【权利要求】
1.一种用于摩托车尾气处理的催化转化器，包括金属载体和涂覆在金属载体表面的催化剂涂层，金属载体由外壳和芯体组成，其特征在于:所述金属载体由Al段、A2段和A3段组成，Al段位于进气段，A3段位于出气段，A2段位于Al段和A3段之间，其中Al段、A2段和A3段的长度比为0.5?5:0?0.5:1 ;所述催化剂涂层由铁系催化剂涂层和贵金属催化剂涂层组成；所述铁系催化剂涂层涂覆在Al段外表面，铁系催化剂涂层中的活性成分为铁系元素的金属氧化物；所述贵金属催化剂涂层涂覆在A3段外表面，贵金属催化剂涂层中的活性成分为钼系元素的金属氧化物；A2段无芯体。
2.根据权利要求1所述的催化转化器，其特征在于:所述催化转化器的长度为70?120mmo
3.根据权利要求1所述的催化转化器，其特征在于:所述Al段、A2段和A3段的长度比为 0.5 ?2.5:0.1 ?0.4:1。
4.根据权利要求3所述的催化转化器，其特征在于:所述Al段、A2段和A3段的长度比为 0.8 ?1.2:0.2 ?0.3:1。
5.根据权利要求1所述的催化转化器，其特征在于:所述铁系元素选自铁、钴、镍中的一种或几种，铁系元素的金属氧化物在铁系催化剂涂层中的重量百分比含量为0.5?15%;所述钼系元素选自钼、钯、铑、锇、铱、钌中的一种或几种，钼系元素的金属氧化物在贵金属催化剂涂层中的重量百分比含量为0.5?15%。
6.根据权利要求1所述的催化转化器，其特征在于:所述铁系元素的金属氧化物一部分负载在储氧材料上，一部分负载在氧化铝上，所述铁系元素的金属氧化物负载在储氧材料上的重量与负载在氧化铝上的重量之比为1.3?1.5:1 ;所述钼系元素的金属氧化物一部分负载在储氧材料上，一部分负载在氧化铝上，所述钼系元素的金属氧化物负载在储氧材料上的重量与负载在氧化铝上的重量之比为I?8:1 ;所述储氧材料为氧化铈、铈锆固溶体或者氧化铈和氧化锆的混合物。
7.根据权利要求1所述的催化转化器，其特征在于:所述Al段铁系催化剂涂层的涂覆量为40?140g/L ;所述A3段贵金属催化剂涂层的涂覆量为100?180g/L。
8.—种如权利要求1?7任一项所述催化转化器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤: (1)将铁系盐分别浸溃在储氧材料和氧化铝上，干燥，焙烧，混合均匀，制成粉料I; (2)将贵金属盐分别浸溃在储氧材料和氧化铝上，干燥，焙烧，混合均匀，制成粉料II； (3)将粉料1、氧化铝、醋酸和纯水混合，球磨制成浆料Jl； (4)将粉料I1、氧化铝、醋酸和纯水混合，球磨制成浆料J2； (5)将浆料Jl涂覆在金属载体Al段外表面，干燥，500?60(TC焙烧I?3h，得半成品; (6)将浆料J2涂覆在步骤(5)所得半成品的A3段外表面，干燥，500?600°C焙烧I?3h，即得催化转化器。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于:所述步骤(I)中铁系盐为铁系元素的硝酸盐、醋酸盐或硫酸盐；所述步骤(2)中贵金属盐为贵金属元素的硝酸盐、醋酸盐或硫酸盐。
【文档编号】F01N3/28GK104005823SQ201410247656
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年6月6日 优先权日:2014年6月6日
【发明者】吴冬冬, 王金凤, 李云, 崔李强 申请人:四川中自尾气净化有限公司