基底和制造基底的方法
【专利说明】基底和制造基底的方法
[0001]已知的催化转化器由陶瓷蜂窝整料基底和铂族金属(PGM)催化活性涂层组成。
[0002] 这种装置对于废气的效率取决于陶瓷蜂窝整料基底的几何表面积，其受限于在废 气流通过该基底时它对于压力下降的作用;增加表面积的常规方案是提供穿过整料基底的 更多的通道，但是这使得通道更窄。
[0003] 对于汽车应用来说，迄今为止所实现的整料基底的最大几何表面积是接近于 5000m2/m3 的数字。
[0004] 本发明的一个目的是提供一种用于催化转化器的改进的基底，其具有高的几何表 面积并且提供了有益的流动动力学。
[0005] 中空纤维隔膜已经在下面的论文中使用;Wang等人(2009)，Industrial&Chemical Engineering Research 48，510 ; Tan等人，Preparation and characterisation of inorganic hollow fibre membranes，J Membr Sci，2001，188:87-95;Preparation of LSCF ceramic hollow fibre membranes for oxygen production by a phase-inversion/ sintering technique .Ind Eng Chem Res，2005，44:61-66;Yttria stablished zirconia hollow fiber membranes.J Am Ceram Soc2006,89:1156-1159和A phase inversion/sintering process to fabricate nickel/yttria-stablished zirconia hollow fibers as the anode support for micro-tubular solid oxide fuel cells，J Power 3〇111^68,2008，183;14-19。在这些应用中，所述管的氧透过性/传导 率是非常有益的。
[0006] 本发明人已经发现用于制造中空纤维隔膜的材料提供了大的表面积，其在其他应 用中会是有利的。
[0007] 根据本发明，提供了催化转化器和制造该催化转化器的基底的方法，如所附的权 利要求所限定的。
[0008] 根据本发明的催化转化器的实施方案包含布置在该催化转化器中的具有表面的 基底体，以使得穿过该催化转化器的流体的主流沿着该基底体的表面流动。该流体的主流 是在它通过催化转化器时大部分流体的流动。除了该流体的主流之外，还可以存在另外的 流体漩涡。但是，该漩涡不被认为是主流的一部分。
[0009] 穿过该催化转化器的流体的主流沿着该基底体的表面流动，以使得它在基本上平 行于所述表面的方向上移动，并且与之接触。
[0010] 例如，该催化转化器可以包含具有入口和出口的外壳，其容纳该基底体。该主流将 从入口到出口。一部分的主流将沿着该基底体的表面流动。
[0011]该催化转化器基底可以包含一个或多个基底体。共同未决的申请GB1209155.9,其 全部公开内容在此引入作为参考，涉及通过挤出来制造管状基底体。本申请描述了一种制 造更多基底几何形状的方法，和因此不限于简单的挤出形状。
[0012]本申请因此涉及形成除了GB1209155.9所述的管状形式的基底几何形状。即，该催 化转化器基底不包含一个或多个微结构化管。
[0013]这样的几何形状可以包括下面的一种或多种或者其组合:粒料;薄片；固体棒;具 有多个孔的固态体;非管状体；固体/非中空体;或者螺旋形式的弯曲薄片(例如，薄片卷绕 来形成螺旋横截面，其在该螺旋的每圈之间具有一定间隙）。
[0014] 优选地，基底体是以具有两个主平表面的薄片形式来提供，其可以是平坦的或者 弯曲的。该薄片可以具有垂直于它的主表面的恒定的厚度，或者它的厚度可变。该薄片可以 具有纹理化主表面和/或具有从它的主表面突出的表面结构。
[0015] 此处所述实施方案的催化转化器基底可以具有大表面积，使得对于高性能来说可 选地需要较少的催化剂。同样，不必需涂覆整个基底体。优选地，至少一部分的该基底体具 有催化活性材料的涂层。
[0016] 但是，可选择的实施方案是考虑在其中该基底体本身包含催化活性材料。这可以 在下述方法中，通过在悬浮液中包括催化活性材料来实现，该悬浮液成形(通过模制或者挤 出）来形成生坯体。
[0017]优选，该基底涂覆有催化活性涂层，例如活化涂层。
[0018] 优选，该微结构化基底是陶瓷。
[0019] 该微通道可以终止于基底内，或者从一个表面延伸到另一表面。
[0020] 该微结构化基底可以使用下述相转换和烧结技术的组合来制作。有利地，这允许 基于这样的因素来选择材料:其改进了基底的机械、热和化学性能并且改进了与催化活性 材料的相容性。
[0021 ]在一种优选的实施方案中，该微通道的入口直径是5μπι-200μπι。
[0022] 如果该基底是作为薄片形成时，则该微通道优选延伸了薄片厚度的至少30%。更 优选，该微通道延伸了薄片厚度的至少80%。
[0023] 催化活性涂层可以施加到一些或者全部的该基底上。在一些实施方案中，该催化 活性涂层可以完全覆盖该基底。如果该基底是作为薄片形成的，则该催化活性涂层可以完 全覆盖该基底薄片的一个或者两个主表面。该涂层将不阻塞微通道的开口，而是将涂覆其 内表面。
[0024] 在一种优选的实施方案中，该催化活性材料包含贵金属。但是，微结构化基底所提 供的GSA可以足够大，使得仅仅需要少量催化剂。
[0025] 在一种优选的实施方案中，该贵金属是钯或者铂族金属。
[0026] 下述基底可以以成本合算和有效的方式来制备。使用相转换和烧结技术，基底可 以由宽范围的材料来制备。此外，用于高GSA微通道的形成机理独立于材料。
[0027] 为了更好地理解本发明，并说明其可以如何实施，现在仅仅作为例子，将参考附 图，在其中：
[0028]图1显示了一种制造催化转化器基底的方法；
[0029] 图2显示了使用图1的方法所形成的催化转化器的简化实施例；
[0030] 图3显示了可以使用图1的方法形成的表面特征；
[0031] 图4显示了使用图1的方法所形成的基底的横截面;和 [0032]图5显示了一种制造基底的方法的例子。
[0033] 图1Α至1D显示了制造催化转化器基底的方法的第一实施方案。
[0034] 从图1Α中可见，该方法包含形成悬浮液10和将该悬浮液引入模具20中。
[0035] 悬浮液10可以包含在第一溶剂中的微粒形式的基底材料，和聚合物。在一些实施 方案中，悬浮液10还可以包含催化活性材料。
[0036] 优选，该基底材料可以包含下面的一种或多种：陶瓷;堇青石;氧化锆;钇稳定的氧 化锆;二氧化钛;碳化硅;粘土;氧化铝；不锈钢，FeCr合金;铁合金;铝合金;钛酸铝；或者烧 结的金属。
[0037] 优选，该聚合物可以包含下面的一种或多种:聚醚砜;聚砜;纤维素及其衍生物;聚 醚酰亚胺;聚酰亚胺及其衍生物;PVDF。
[0038] 优选，该第一溶剂可以包含下面的一种或多种:偶极非质子溶剂;N-甲基-2-吡咯 烷酮;或者二甲基亚砜。
[0039]模具20可以具有任何形状。优选，模具20呈托盘的形式，以使得悬浮液10在被引入 模具20时形成薄片。
[0040]具有垂直于它的主表面的恒定厚度的模具20是可以想到的。但是，如图1所示，模 具20可以成形和/或定向，以使得悬浮液10在被引入模具20时形成厚度沿着它的宽度/长度 增加的薄片。
[0041 ]从图1B中可见，该方法包含将悬浮液10在模具20中与第二溶剂40接触。
[0042]优选，该第一溶剂是与第二溶剂40可混溶的。
[0043] 这可以通过将模具20和悬浮液10浸入第二溶剂40的浴液30中来进行。第二溶剂40 可以置换悬浮液10中的一些或者全部的第一溶剂。任选地，浴液30中的流体(其可以在一定 时间后包括第一和第二溶剂的混合物)可以定期或者以恒定的流速来置换(例如，用以保持 第二溶剂的浓度）。
[0044]通过将悬浮液10与第二溶剂40接触来置换一些或者全部的该第一溶剂可以从悬 浮液10中除去至少一些该第一溶剂，由此来形成由该基底材料和聚合物形成的生坯体15。 [0045]当悬浮液10接触第二溶剂40时，至少一些该第一溶剂将经由它的暴露表面而离开 悬浮液10。由此，它在悬浮液10中形成了微通道。（例如参考图4所述的那些）。该微通道可以 渗过所述基底很大的距离，但是已经发现它们将不在该基底的接触模具20的表面中形成开 □ 〇
[0046]生坯体15将在其中形成微通道(如下所述），其是通过第一溶剂的逸出来产生的。 [0047]如图1C所示，该方法可以包含从第二溶剂40中除去模具20。这可以在一段时间（例 如48小时)后进行。生坯体15然