Автомобильные каталитические композиты, имеющие слой с двумя металлами

Автомобильные каталитические композиты, имеющие слой с двумя металлами

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее изобретение относится, в основном, к автомобильным катализаторам, имеющим слой с двумя металлами, и композитам, и системам обработки эмиссии, в которых такие катализаторы используются для обработки потока выхлопных газов бензиновых двигателей, который содержит углеводороды, монооксид углерода и оксиды азота. Более конкретно, данное изобретение относится к трехкомпонентным каталитическим конвертерам (TWC), которые содержат два металла, родий и палладий, в одном и том же слое, и к композитам, нанесенным на подложки, такие как монолитная подложка.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Стандарты по уровням эмиссии таких поллютантов, как несгоревшие углеводороды, монооксид углерода и оксиды азота продолжают ужесточаться. Чтобы соответствовать таким стандартам, в линию выхода выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания можно устанавливать каталитические конвертеры, которые включают трехкомпонентный каталитический конвертер (TWC). Такие катализаторы ускоряют окисление кислородом несгоревших углеводородов и монооксида углерода, так же как восстановление оксидов азота до азота в потоке выхлопных газов.

[0003] Многие катализаторы TWC производят с по меньшей мере двумя отдельными покрытиями из каталитических композиций (покрытия из пористых оксидов), которые в виде водных дисперсий наносят последовательными слоями на подложку (например, сотовый массив, состоящий из керамики или металла), чтобы разделить благородные металлы, такие как палладий и родий, которые являются основными каталитически активными компонентами. Необходимость в разделении возникла исторически, поскольку палладий и родий могут образовывать сплав, о котором известно, что у него меньшая каталитическая активность.

[0004] Катализаторы TWC включают компоненты, которые служат хранилищами кислорода (КХК), и глиноземные материалы в качестве носителя для благородных металлов. В таких катализаторах TWC, активность Rh может блокироваться его взаимодействием с глиноземом и оксидом церия, который содержится в композитном материале КХК. Такое взаимодействие может приводить к деактивации каталитической активности Rh, особенно когда концентрация оксида церия в композитном материале КХК превышает 30 весовых %. Кроме того, при высокотемпературном старении, т.е., при температурах выше 1000°C, Rh мигрирует внутри покрытия из пористого оксида. Миграция Rh негативно влияет на эксплуатационные характеристики при обработке выбросов, в частности, на степень превращения NOx при высоком содержании, поскольку Rh в этом случае окажется в контакте с оксидом церия в композитном материале КХК. Характеристики родия могут также ухудшаться в результате взаимодействия с палладием.

[0005] Существует необходимость в создании композиций для формирования единственного покрытия из пористого оксида, которое содержит оба металла, и палладий и родий, в то же время сохраняя и/или улучшая их каталитические характеристики по сравнению с композициями, предназначенными для нанесения отдельных слоев, в которых эти металлы присутствуют по отдельности. Существует также необходимость в способах, которые дают возможность наносить единственное покрытие из пористого оксида за один технологический этап. Кроме того, сохраняется необходимость в создании каталитических композитов TWC, в которых благородные металлы используются эффективно и остаются эффективными в сфере обеспечения регулируемого превращения углеводородов (НС), NOx и СО. Существует также необходимость в ограничении деактивации Rh, обусловленной его взаимодействием с КХК, и необходимость в ограничении миграции Rh по материалам носителя, которое обеспечит повышение эффективности конверсии.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0006] Предложены автомобильные каталитические композиты, которые

содержат слой с двумя металлами на подложке, и способы изготовления и использования этих каталитических композитов.

[0007] В первом аспекте, предложены автомобильные каталитические

композиты, которые включают каталитический материал на подложке, где каталитический материал является слоем с двумя металлами, содержащий: родиевый компонент на первом носителе, включающем компонент оксид тугоплавкого металла, или первый композит диоксид церия-диоксид циркония; палладиевый компонент на втором носителе, включающем второй композит диоксид церия-диоксид циркония; один или более таких компонентов как промотор, стабилизатор или связующее; где каталитический материал эффективен в трехкомпонентной конверсии (TWC) для практически одновременного окисления монооксида углерода и углеводородов и восстановления оксидов азота, и где общее количество первого и второго композитов диоксид церия-диоксид циркония в слое с двумя металлами равно или превышает количество тугоплавкого компонента из оксида металла.

[0008] В одном или более вариантах реализации изобретения, палладиевый компонент, родиевый компонент или оба эти компонента термически зафиксированы.

[0009] В одном или более вариантах реализации изобретения предлагается, чтобы первый носитель для родиевого компонента представлял собой носитель на основе глинозема или носитель на основе циркония. В подробно описанном варианте реализации изобретения, первый носитель для родиевого компонента содержит активированное глиноземное соединение, выбранное из группы, состоящей из глинозема, глинозема-оксида циркония, глинозема-оксида церия-оксида циркония, оксида лантана-глинозема, оксида лантана-оксида циркония-глинозема, оксида бария-глинозема, оксида бария оксида лантана-глинозема, оксида бария оксида лантана-оксида неодима глинозема, и глинозема-оксида церия.

[0010] В других вариантах реализации изобретения, первый носитель для родиевого компонента содержит композит оксид церия-оксид циркония, который содержит 20% по весу или менее оксида церия.

[0011] Второй носитель для палладиевого компонента может представлять собой композит оксид церия-оксид циркония, который содержит по меньшей мере 25% по весу оксида церия.

[0012] В одном или более вариантов реализации изобретения, весовое отношение общего количества первого и второго композитов оксид церия-оксид циркония к количеству компонента оксида тугоплавкого металла в слое с двумя металлами составляет более, чем 1:1; или 2,5:1 или более; или 4:1 или более; или даже 5:1 или более.

[0013] При желании, на компонент оксид тугоплавкого металла можно добавить дополнительный палладиевый компонент.

[0014] В одном из вариантов реализации изобретения, предложено, чтобы слой с двумя металлами содержал, в весовых процентах от веса слоя с двумя металлами, следующие компоненты: второй композит оксид церия-оксид циркония, количество которого находится в диапазоне 40-50%; компонент оксид тугоплавкого металла, количество которого находится в диапазоне 40-50%; и один или более таких компонентов как оксид лантана, оксид бария, оксид циркония и стронций в количестве вплоть до 10%; где второй композит оксид церия-оксид циркония содержит оксид церия, количество которого находится в диапазоне 25-45% от веса второго композита оксид церия-оксид циркония.

[0015] В другом варианте реализации изобретения, слой с двумя металлами содержит, в весовых процентах от веса слоя с двумя металлами, следующие компоненты: второй композит оксид церия-оксид циркония, количество которого находится в диапазоне 70-80%; оксид тугоплавкого металла, количество которого находится в диапазоне 10-20%; и один или более таких компонентов как оксид лантана, оксид бария, оксид циркония и стронций в количестве вплоть до 10%; где второй композит оксид церия-оксид циркония содержит оксид церия, количество которого находится в диапазоне 25-45% от веса второго композита оксид церия-оксид циркония. В подробно описанном варианте реализации изобретения, компонент оксид тугоплавкого металла содержит соединение глинозем-оксид церия.

[0016] Каталитический материал может дополнительно содержать второй слой поверх слоя с двумя металлами, второй слой содержит родиевый компонент на третьем носителе, платиновый компонент на четвертом носителе, палладиевый компонент на пятом носителе или их комбинацию. В одном или более вариантах реализации изобретения, второй слой содержит родиевый компонент на третьем носителе, который представляет собой активированное глиноземное соединение, выбранное из группы, состоящей из глинозема, глинозема-оксида циркония, глинозема-оксида церия-оксида циркония, оксида лантана-глинозема, оксида лантана-оксида циркония-глинозема, оксида бария-глинозема, оксида бария оксида лантана-глинозема, оксида бария оксида лантана-оксида неодима глинозема и глинозема-оксида церия. Для улучшения параметров конверсии, во второй слой может быть добавлен материал КХК.

[0017] В одном или более вариантах реализации изобретения, второй слой может содержать палладиевый компонент на пятом носителе, который представляет собой третий композит оксид церия-оксид циркония. В подробно описанном варианте реализации изобретения, третий носитель оксид церия-оксид циркония содержит оксид церия, количество которого находится в диапазоне 5-20% от веса третьего композита оксид церия-оксид циркония.

[0018] В одном из вариантов реализации изобретения, второй слой содержит: родиевый компонент на активированном глиноземном компоненте, выбранном из группы, состоящей из глинозема, глинозема-оксида циркония, глинозема-оксида церия-оксида циркония, оксида лантана-глинозема, оксида лантана-оксида циркония-глинозема, оксида бария-глинозема, оксида бария оксида лантана-глинозема, оксида бария оксида лантана-оксида неодима глинозема и глинозема-оксида церия; и палладиевый компонент на третьем композите оксид церия-оксид циркония, содержащем оксид церия, количество которого находится в диапазоне 5-20% от веса третьего композита оксид церия-оксид циркония.

[0019] В подробно описанном аспекте предложен автомобильный каталитический композит, который содержит: каталитический материал на подложке, где каталитический материал является слоем с двумя металлами, который содержит: родиевый компонент на активированном глиноземном соединении, выбранном из группы, состоящей из глинозема, глинозема-оксида циркония, глинозема-оксида церия-оксида циркония, оксида лантана-глинозема, оксида лантана-оксида циркония-глинозема, оксида бария-глинозема, оксида бария оксида лантана-глинозема, оксида бария оксида лантана-оксида неодима глинозема и глинозема-оксида церия; палладиевый компонент, термически прикрепленный к композиту оксид церия-оксид циркония, содержащему оксид церия, количество которого находится в диапазоне 25-45% от веса композита оксид церия-оксид циркония; один или более из таких компонентов как оксид лантана, оксид бария и оксид циркония; где каталитический материал эффективен в трехкомпонентной конверсии (TWC) для практически одновременного окисления монооксида углерода и углеводородов и восстановления оксидов азота, и где весовое отношение количества композита оксид церия-оксид циркония к количеству активированного глиноземного соединения в слое с двумя металлами составляет 4:1 или более. Активированное глиноземное соединение может, в частности, содержать соединение глинозем-оксид церия.

[0020] Композит, предложенный в данном документе, может дополнительно содержать второй слой поверх слоя с двумя металлами, второй слой содержит: родиевый компонент на активированном глиноземном соединении. Второй слой может дополнительно содержать материал КХК. Второй слой может дополнительно содержать палладиевый компонент на композите оксид церия-оксид циркония. В подробно описанном варианте реализации изобретения, композит оксид церия-оксид циркония содержит оксид церия, количество которого находится в диапазоне 5-20% от веса композита оксид церия-оксид циркония. В одном или более вариантах реализации изобретения, количество родиевого компонента во втором слое приблизительно такое же, как и количество родиевого компонента в слое с двумя металлами.

[0021] В другом аспекте предложена система обработки выхлопного газа, включающая каталитические композиты, раскрытые в данном документе, которые расположены за бензиновым двигателем. Система обработки выхлопного газа может дополнительно включать композит трехкомпонентного каталитического конвертера (TWC) с глухим соединением за бензиновым двигателем, где каталитический композит по п. 1 расположен за каталитическим композитом TWC с глухим соединением, но перед катализатором очистки от NOx. Катализаторы очистки от NOx включают, но не ограничиваются этим, ловушки NOx для обеднения и катализаторы селективного каталитического восстановления (SCR).

[0022] В других аспектах предложены способы обработки выхлопного газа, содержащего углеводороды, монооксид углерода и оксиды азота, которые включают: приведение выхлопного газа в контакт с каталитическими композитами, описанными в данном документе.

[0023] Другой аспект представляет собой способ изготовления каталитического композита, который включает: формирование каталитического материала трехкомпонентной конверсии (TWC) путем: диспергирования родиевого компонента по первому носителю, включающему компонент оксид тугоплавкого металла или первый композит оксид церия-оксид циркония, для формирования первого пропитанного носителя; необязательно, прикрепления родиевого компонента к первому пропитанному носителю; диспергирования палладиевого компонента по второму носителю, содержащему второй композит оксид церия-оксид циркония, для формирования второго пропитанного носителя; необязательно, прикрепление палладиевого компонента ко второму пропитанному носителю; последующего формирования водной суспензии покрытия из пористых оксидов путем смешивания воды, первого и второго пропитанных носителей и одного или более таких компонентов как промотор, стабилизатор или связующее; нанесение водной суспензии покрытия из пористых оксидов на подложку, для формирования на подложке единственного слоя с двумя металлами; обжига слоя с двумя металлами для формирования каталитического композита; где каталитический материал эффективен в трехкомпонентной конверсии (TWC) для практически одновременного окисления монооксида углерода и углеводородов и восстановления оксидов азота, и где общее количество первого и второго композитов диоксид церия-диоксид циркония в слое с двумя металлами равно или превышает количество компонента из оксида тугоплавкого металла в слое с двумя металлами. В одном или более вариантах реализации изобретения, палладиевый компонент, родиевый компонент или оба эти компонента термически зафиксированы. В других вариантах реализации изобретения предлагается хорошо диспергированный по первому носителю родиевый компонент и хорошо диспергированный по второму носителю палладиевый компонент. Кроме того, способы могут включать нанесение второго слоя на слой с двумя металлами, второй слой содержит родиевый компонент на третьем носителе, который представляет собой активированное глиноземное соединение, выбранное из группы, состоящей из глинозема, глинозема-оксида циркония, глинозема-оксида церия-оксида циркония, оксида лантана-глинозема, оксида лантана-оксида циркония-глинозема, оксида бария-глинозема, оксида бария оксида лантана-глинозема, оксида бария оксида лантана-оксида неодима глинозема и глинозема-оксида церия и необязательно платиновый компонент на четвертом носителе, палладиевый компонент на пятом носителе или оба эти компонента.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

[0024] ФИГ. 1 представляет собой принципиальную схему типичного каталитического материала в соответствии с одним из вариантов реализации изобретения;

[0025] ФИГ. 2 представляет собой принципиальную схему типичного каталитического материала в соответствии с одним из вариантов реализации изобретения;

[0026] ФИГ. 3 представляет собой принципиальную схему типичного каталитического материала в соответствии с одним из вариантов реализации изобретения; и

[0027] ФИГ. 4 представляет собой принципиальную схему типичного каталитического материала в соответствии с одним из вариантов реализации изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0028] Предложены автомобильные каталитические композиты, которые содержат слой с двумя металлами на подложке, и способы изготовления и использования этих каталитических композитов. Слой с двумя металлами формируют из единственного слоя пористых оксидов, который содержит два благородных металла, каждый из которых находится на собственном носителе, в результате получают гомогенную смесь двух металлов в одном и том же слое на подложке. Покрытие из пористых оксидов/слой с двумя металлами предназначено для содержания компонента активированного глинозема и/или композита оксид церия-оксид циркония в качестве носителя для родия и другого композита оксид церия-оксид циркония в качестве носителя для палладия. Особенность этого покрытия из пористых оксидов/слоя с двумя металлами заключается в том, что общий вес композитов оксид церия-оксид циркония равен или превышает количество компонента активированного глинозема. Следовательно, можно поставлять большие количества оксида церия, чем в случае применяемых на данном уровне техники многослойных композитов, в которых палладий и родий присутствуют в различных слоях, что требует больших количеств компонента активированного глинозема для подходящего распределения и связывания. Когда родий находится на активированном глиноземном компоненте, обычно весь глинозем, который требуется для создания каталитического материала, используется для приема родиевого компонента.

[0029] Один или более из благородных металлов прикреплены к их индивидуальным носителям, а это означает, что благородные компоненты нерастворимы в суспензии покрытия из пористого оксида. Прикрепление благородных металлов может происходить путем химической или термической фиксации. Для термического прикрепления, чтобы произвести “термически фиксированный” благородный металл, пропитанные носители подвергают тепловой обработке таким образом, чтобы благородные металлы переходили в свои оксидные формы, и чтобы при применении термически фиксированных благородных металлов на носителях в водной суспензии они были нерастворимыми и несклонными к образованию сплавов/агломератов. При химической фиксации, pH или некоторые другие параметры суспензии соли благородного металла с носителем изменяют, чтобы сделать компонент благородного металла нерастворимым в суспензии покрытия из пористого оксида. Без привязки к теории, предполагается, что термически фиксированные благородные металлы, которые содержатся в гомогенно смешанном слое с двумя металлами, минимизируют миграцию благородных металлов, особенно родия.

[0030] Каталитические композиты, представленные в данном документе, могут проявлять такие же, если не лучшие, эксплуатационные характеристики, как и многослойные композиты-аналоги идентичного, в целом, состава, у которых в каждом слое присутствует только один благородный металл.

[0031] Другая возможная особенность этой конструкции заключается в том, что такие компоненты, как тонко размолотый благородный металл, хорошо диспергированы по соответствующим носителям перед термическим прикреплением. Ссылка на “хорошо диспергированный” означает, что благородные металлы распределены в однородной и неагломерированной массе по всему объему пор данного носителя. Таким образом, количество материала носителя, находящееся в контакте с благородным металлом, максимизировано. Один из способов достичь этого заключается в пропитке носителя благородным металлом, при этом следует использовать водный раствор с самой низкой концентрацией, чтобы получить желаемую навеску благородного металла, в то же время максимизируя, за счет влагоемкости, количество материала носителя, вступающего в контакт с благородным металлом. Один из способов диспергирования представляет собой хемосорбцию монооксида углерода (СО). Чем выше дисперсионное число, тем лучше дисперсия. Другой способ получения хорошей дисперсии состоит в минимизации агломерации, которая определяется по размеру активных частиц.

[0032] Ссылка на “компонент хранилище кислорода” (КХК) относится к компоненту который может находиться в многовалентном состоянии и активно реагировать с окислителями, такими как кислород или оксиды азота, при подходящих для окисления условиях, или реагировать с восстановителями, такими как монооксид углерода (СО) или водород, при условиях, подходящих для восстановления. Обычно КХК содержит один или более способных восстанавливаться оксидов одного или более редкоземельных металлов. Примеры подходящих компонентов хранилищ кислорода включают оксид церия, оксид празеодимия или их комбинации. Доставку оксида церия внутрь слоя можно осуществить с использованием, например, оксида церия, смешанных оксидов церия и циркония и/или смешанных оксидов церия, циркония, иттрия, лантана, необязательно, неодима.

[0033] Ссылка на “носитель” в слое каталитического покрытия из пористых оксидов относится к материалу, который принимает благородные металлы, стабилизаторы, промоторы, связующие и т.п. посредством ассоциации, диспергирования, пропитки или других подходящих способов. Примеры носителей включают, но не ограничиваются этим, оксиды тугоплавких металлов с большой площадью поверхности и композиты, содержащие компоненты хранилища кислорода. В качестве примеров материалов носителей, можно привести компоненты оксид алюминия с высокой площадью поверхности (>80, 90, 100, 125 или даже 150 м²/г) (в различных модификациях) и оксид циркония, которые можно комбинировать с такими компонентами как стабилизаторы, такие как оксид лантана (т.е., композиты Zr-La), и компоненты хранилища кислорода (т.е., смешанные оксиды церия-циркония в различных вариантах реализации изобретения). Приведенные в качестве примера оксиды тугоплавких металлов с высокой площадью поверхности могут включать активированное глиноземное соединение, выбранное из группы, состоящей из глинозема, глинозема-оксида циркония, глинозема-оксида церия-оксида циркония, оксида лантана-глинозема, оксида лантана-оксида циркония-глинозема, оксида бария-глинозема, оксида бария оксида лантана-глинозема, оксида бария оксида лантана-оксида неодима глинозема и глинозема-оксида церия.

[0034] Соединение двух различных благородных металлов в одной композиции для покрытия сопряжено с серьезной проблемой, которая обусловлена растворимостью солей благородных металлов в воде. В обычных катализаторах TWC, благородные металлы палладий и родий в индивидуальном порядке наносят пропиткой в виде растворов нитратов (Pd(NO₃)₂ и Rh(NO₃)₃) на материалы носителей и затем последовательно вводят в водную суспензию покрытия из пористого оксида. Конкретно, на современном уровне техники способы включают следующие стадии:

[0035] a. Нанесение первого благородного металла пропиткой раствором соли металла, независимо от степени разбавления, на первый носитель (оксид алюминия или КХК) для формирования первого пропитанного носителя;

[0036] b. Изготовление первой водной суспензии покрытия из пористого оксида с использованием первого пропитанного носителя;

[0037] c. Нанесение второго благородного металла пропиткой раствором соли металла, независимо от степени разбавления, на второй носитель (оксид алюминия или КХК) для формирования второго пропитанного носителя;

[0038] d. Изготовление второй водной суспензии покрытия из пористого оксида с использованием первого пропитанного носителя;

[0039] e. Нанесение первого слоя на подложку с использованием первой водной суспензии покрытия из пористого оксида и обжиг первого слоя;

[0040] f. Нанесение второго слоя на подложку с использованием второй водной суспензии покрытия из пористого оксида и обжиг второго слоя;

[0041] Если оба благородных металла обрабатывать в одной водной суспензии покрытия из пористых оксидов с использованием традиционных способов, резко возрастет вероятность, что два благородных металла сформируют сплав внутри покрытия из пористого оксида, поскольку использовались водорастворимые соли металлов. В этом случае, эксплуатационные характеристики катализатора TWC будут хуже, чем в случае отдельных слоев палладия и родия.

[0042] Чтобы устранить проблему растворимости солей металлов в водной суспензии покрытия из пористого оксида после пропитки металлами соответствующих носителей, можно использовать раскрытые в данном документе способы термической фиксации благородных металлов на материалах носителей и формирования слоя с двумя металлами. В результате, эти благородные металлы не возвращаются в раствор, поскольку превращаются в свои оксидные формы, и не присутствуют в растворенном виде в водной фазе суспензии покрытия из пористого оксида. Кроме того, перед термическим прикреплением благородных металлов, их можно, при необходимости, хорошо диспергировать по поверхности носителей.

[0043] В общем случае, описанные в данном документе способы относятся к приготовлению композиций индивидуальных металлов, которые термически фиксированы и, необязательно, хорошо диспергированы. Таким образом, индивидуальные благородные металлы, такие как палладий и родий, в виде растворов нитратов наносят пропиткой на отдельные материалы носителей для достижения хорошей дисперсии. Иными словами, растворы нитратов разбавляют до максимально возможной степени, в то же время поставляя желательную навеску металла. Затем индивидуальные разбавленные растворы нитратов добавляют к индивидуальным материалам носителей пропиткой по влагоемкости, чтобы получить пропитанные носители. Затем пропитанные носители, в противоположность традиционному способу, последовательно обжигают (термическая фиксация) перед производством водной суспензии покрытия из пористых оксидов. Обжиг пропитанных материалов носителей приводит к превращению нитрата палладия и нитрата родия в соответствующие оксиды. Без привязки к теории, предполагается, что оксиды нерастворимы в воде, что дает возможность предотвратить повторное растворение палладия и родия. Таким образом, снижается вероятность формирования сплава палладий-родий, хотя оба благородных металла присутствуют в одном и том же слое покрытия из пористых оксидов. В общем виде, способы по данному изобретению для производства композиций из пористых оксидов для формирования единственного покрытия могут включать следующие стадии:

[0044] a. Нанесение первого благородного металла пропиткой раствором соли металла, который необязательно был разбавлен для минимизации концентрации металла, в то же время, поставляя желаемое количество в первый носитель (оксид алюминия или КХК) для формирования первого хорошо диспергированного пропитанного носителя;

[0045] b. Термическое закрепление (обжиг пропитанного носителя при 590°C) первого пропитанного носителя;

[0046] c. Нанесение второго благородного металла пропиткой раствором соли металла, который необязательно был разбавлен для минимизации концентрации металла, в то же время, поставляя желаемое количество во второй носитель (оксид алюминия или КХК) для формирования второго хорошо диспергированного пропитанного носителя;

[0047] d. Термическое закрепление (обжиг пропитанного носителя при 590°C) второго пропитанного носителя;

[0048] e. Изготовление единственной водной суспензии покрытия из пористых оксидов с использованием хорошо диспергированных и термически фиксированных пропитанных носителей;

[0049] f. Нанесение слоя с двумя металлами на подложку с использованием единственной водной суспензии покрытия из пористых оксидов и обжиг единственного слоя.

[0050] В принципе, производство водных суспензий покрытий из пористых оксидов TWC на стадиях b.) и d.) по способу, известному на современном уровне техники, не отличается от производства водной суспензии покрытия из пористых оксидов на стадии e.) для единственного покрытия, т.е. производство суспензий осуществляется в кислом диапазоне pH 2-6 (обычно: 3,5-5,0), и на этой стадии или на стадии пропитки перед обжигом вводятся любые желательные ингредиенты, такие как промоторы и стабилизаторы. Представитель каталитического материала с двумя металлами показан на ФИГ. 1, где для палладия носителем служит оксид церия-оксид циркония, а для родия - глинозем.

[0051] В другом аспекте, были разработаны составы катализатора TWC, которые включают два слоя различных композиций. Иными словами, предложен второй слой покрытия из пористых оксидов, который отличается от слоя с двумя металлами. Концепция этой структуры катализатора по существу соответствует распределению Rh между нижним и верхним слоем для ограничения миграции Rh, и в то же время для создания оптимизированных условий эксплуатации Rh в верхнем слое. Первый слой имеет отношение КХК/глинозем более чем 1:1 (или по меньшей мере 2,5/1 или по меньшей мере 4/1 или даже по меньшей мере 5/1) и содержит оба компонента, все имеющееся количество Pd и только половину Rh, которым пропитан глинозем. Второй слой имеет более низкое отношение КХК/глинозем (иными словами, здесь больше глинозема, чем материала КХК). Концентрация оксида церия в материале КХК может быть низкой и составлять примерно 10 вес. % или даже от 5 до 20 вес. %. В этом втором слое Rh пропитал глинозем. Выбор содержания оксида церия в материале КХК может быть связан с конкретным применением. Приведенный в качестве примера каталитический материал представлен на ФИГ. 2, где нижний слой представляет собой слой с двумя металлами, а верхний слой содержит родий на глиноземе и на материале КХК, и во втором слое содержание глинозема выше, чем содержание материала КХК. Может оказаться желательным, чтобы на материале КХК второого слоя был палладий, как показано на ФИГ. 3. Кроме того, может оказаться желательным, чтобы во втором слое присутствовал Rh/глинозем и материал КХК имел низкое содержание оксида церия, чтобы обеспечивать хорошие эксплуатационные характеристики двигателя и хорошую активность в конверсии обогащенной NOx смеси, что будет повышать степень превращения по сравнению со стандартным составом, где Rh находится в верхнем покрытиии, a Pd - в нижнем, или с составами соответствующей единственной суспензии, в которой Pd и Rh находятся в единственном покрытии.

[0052] Другое конструктивное решение заключается в использовании вышеописанных составов с нижним слоем, содержащим Pd/Rh, где Rh пропитали глинозем, a Pd пропитали материал КХК. Верхнее покрытие в этой концепции может содержать Rh, которым пропитан глинозем, и Pd (30 вес. % общего количества, использованного в композиции), которым пропитан материал КХК, в котором концентрация оксида церия составляет около 10 вес. %. Pd, который находится в верхнем слое, будет улучшать степень превращения НС по сравнению со стандартной композицией. Этот вариант реализации изобретения представлен на ФИГ. 4.

[0053] Таким образом, в одном или более вариантах реализации изобретения, второй слой может содержать один благородный металл, обычно - родий; два металла, обычно - родий и палладий или палладий и платину; или даже вплоть до трех металлов: родий, палладий и платину. В состав второго слоя обычно входит родиевый компонент на носителе, таком как активированный глиноземный компонент, выбранный из группы, состоящей из глинозема, глинозема-оксида циркония, глинозема-оксида церия-оксида циркония, оксида лантана-глинозема, оксида лантана-оксида циркония-глинозема, оксида бария-глинозема, оксида бария оксида лантана-глинозема, оксида бария оксида лантана-оксида неодима глинозема, и глинозема-оксида церия. Необязательно, композит оксид церия оксид циркония может быть введен во второй слой для улучшения общих эксплуатационных характеристик каталитического материала. В одном или более вариантах реализации изобретения, композит оксид церия-оксид циркония представляет собой компонент КХК с низким содержанием оксида церия, которое составляет 5-20% по весу. В других вариантах реализации изобретения, содержание оксида церия в компоненте КХК может составлять 20-45% по весу. Если потребуется, для дополнительного повышения степени превращения выбросов, таких как НС, второй слой может содержать палладиевый и/или платиновый компонент, каждый из которых термически закреплен на собственном носителе. Подходящим носителем для платины может быть активированный глиноземный компонент, а для палладия - композит оксид церия-оксид циркония с низким содержанием оксида церия. Покрытие из пористых оксидов для второго слоя можно приготовить по известным в этой области технологиям. Относительно фиксирования металлов, можно использовать, по желанию, физическое или химическое закрепление.

[0054] При использовании второго слоя поверх слоя с двумя металлами, появляется возможность добиться практически равномерного распределения родия между двумя слоями, чтобы ограничить миграцию Rh и создать для Rh две различных среды, чтобы повысить степень превращения.

[0055] От выбора материала носителя (КХК или оксид алюминия) для двух благородных металлов, палладия и родия, зависят эксплуатационные характеристики каталитических композитов TWC. Предпочтительными носителями для палладия являются композиты, содержащие церий, такие как оксид церия-оксид циркония с высокой долей оксида церия (оксид церия >25% по весу, например, в диапазоне 25-45% от веса композита). Предпочтительными носителями для родия являются оксид алюминия и композиты, содержащие церий, такие как оксид церия-оксид циркония, с низкой долей оксида церия (<40%, или <30%, или <20%, или даже <10% по весу от веса композита). Можно также производить смеси; например, часть родия наносят пропиткой на предпочтительный композит КХК, а остальную часть наносят пропиткой на оксид алюминия. Кроме того, часть палладия тоже можно наносить пропиткой на оксид алюминия.

[0056] Сравнение эксплуатационных характеристик хорошо диспергированных катализатических композитов TWC со слоем с двумя металлами, имеющих одинаковый состав, показало, что нанесение всего палладия на оксид алюминия и всего родия на композит КХК приводит к значительно худшим эксплуатационным характеристикам, чем если носителем для всего родия является оксид алюминия, а для всего палладия носителем является композит КХК.

[0057] В контексте каталитических композиций TWC, произведенных без термической фиксации, планомерное и специфическое размещение благородных металлов на материалах носителей оксиде алюминия и КХК не оказывает влияния на эксплуатационные характеристики таким же образом, как в контексте термической фиксации. В отсутствие термической фиксации, в процессе производства суспензии покрытия из пористых оксидов, некоторые из благородных металлов возвращаются обратно в раствор, и неизбежно происходит перераспределение благородных металлов, так что обычно оба материала носителей получают, в итоге, оба благородных металла. В случае термической фиксации, этого неизбежного перераспределения не происходит. По этой причине, выбор типов и количества материалов носителей оказывает влияние на эксплуатационные характеристики каталитического композита TWC, если используется термическое фиксирование, как в случае композиции покрытия с двумя металлами.

[0058] Относительно хорошо диспергированных благородных металлов, распределение благородного металла по материалам носителей зависит от концентрации благородного металла в пропитывающем растворе. Максимальное количество пропиточного раствора, которое может быть применено, лишь немного превышает “влагоемкость”, так что пропитанный порошок все еще остается сухим и текучим. Масса благородного металла, нанесенного на носитель, определяется желательной общей навеской благородного металла в каталитическом композите TWC. Хорошая дисперсия металлов достигается при выборе самой низкой из возможных концентраций благородного металла в пропиточном растворе.

[0059] Кроме того, термическая фиксация благородных металлов палладия и родия приводит к фактическому устранению необходимости в ручном регулировании водной суспензии покрытия из пористых оксидов. И наоборот, когда несущие композиции