用于NOX还原的含铁和铜的菱沸石催化剂制造技术

本发明专利技术涉及用于NOX还原的含铁和铜的菱沸石催化剂。提供含铁和铜的菱沸石(CHA)催化剂作为还原来自汽车发动机尾气的氮氧化物(NOx)的SCR催化剂。该催化剂通过在合成菱沸石期间并入铁，接着在离子交换步骤中并入铜形成。所得的催化剂在从大约200℃至大约700℃的宽范围的温度内还原氮氧化物。

【技术实现步骤摘要】

本文所述的实施方式涉及在还原来自汽车尾气的氮氧化物(NOx)中菱沸石(CHA)催化剂的制备和应用，以及更特别地涉及其中含铁和铜的菱沸石(CHA)催化剂的制备和应用，其可用作在尾气系统中在很宽的温度范围内还原氮氧化物的单一 SCR催化剂。
技术介绍
已经使用催化剂试图还原来自汽车发动机尾气的氮氧化物(NOx)的排放物。许多催化剂目前用于转化这些尾气组分为环境可接受的化合物。选择性催化还原催化剂(SCR)用于转化NOxS N2并且通常包括金属促进的沸石并利用通常由尿素水溶液的热分解产生的氨还原剂，其被注入尾气流。理想地，通常在汽车尾气系统中遇到的宽范围的温度条件下——例如从大约200°C至600°C或更高——SCR催化剂应当能够保持良好的催化活性。一般有两种类型催化剂通常在本领域中用于选择性催化还原来自汽油或柴油发动机尾气的NOx。一种类型基于具有菱沸石(CHA)骨架的铜沸石催化剂，即铜菱沸石催化剂。菱沸石(CHA)是具有通式X(n/m)AlnSi(36_n)O72 (H2O)4tl的架状构造娃酸盐(tectosilicate)矿，其中X —般为Ca、K或Na，但是可以用各种金属阳离子代替，以及其中m是平衡阳离子的价数。然而，我们已经发现，这种催化剂在更高的温度，即，大于550°C下趋于失去活性，并且实际上可能由于氨的氧化增加产生。第二种类型的SCR催化剂基于含有离子交换的铁的沸石催化剂，例如铁交换的β沸石(BEA)。这种催化剂在高温下提供良好的NOx还原但遭受其他缺点。例如，β沸石在高温下对于持续长时间的使用具有不足的热稳定，并且趋于吸收大量的烃，其可导致可能损害催化剂的放热反应。虽然希望将金属例如铁并入菱沸石以实现高活性和改进的热稳定性二者，但是试图这样做收效甚微。例如，使用传统的离子交换方法将铁并入具有高温稳定性的菱沸石例如SSZ-13 是困难的，这是由于菱沸石结构的小孔开口。例如，SSZ-13CHA具有大约3.5至4.0埃的孔径。在共同转让的申请系列号14/183，969中一一其通过引用并入本文，描述了铁-菱沸石(CHA)催化剂并且该铁-沸石菱沸石(CHA)催化剂用于还原汽车发动机尾气中的氮氧化物。该催化剂在大于大约500°C的温度下显示出良好的高温NOxR化活性以及稳定性。然而，为了在较低温度下提供活性，附加催化剂一一例如常规铜菱沸石催化剂一一必须位于铁-菱沸石催化剂下游。因此，我们已经确定了对于单一金属基SCR催化剂的需要，该催化剂实现了低温和高温NOxR化活性二者同时节省了空间并避免了在尾气处理系统中提供第二催化剂的费用。
技术实现思路
本专利技术的实施方式通过提供还原汽车发动机尾气中的氮氧化物的含铁和铜二者的单一菱沸石(CHA)催化剂满足了那些需要。该催化剂在从大约200°C到700°C的温度范围下显示出良好的NOx转化活性以及在该温度下的热稳定性。该催化剂相比于其他菱沸石催化剂材料也展现出改进的性能，因为铁的并入在高温下一一即大于大约400°C—一提供了良好的性能，以及铜的并入在低温下一一即小于大约400°C—一提供了改进的性能。含铁和铜的CHA沸石催化剂也不同于其他菱沸石催化剂材料，因为铁在合成菱沸石期间被并入晶格结构，接着是离子交换步骤以并入铜。这不同于通过在合成后步骤进行Fe离子交换将铁并入CHA结构的常规方法。根据本专利技术的一个方面，提供包含沸石的催化剂，该沸石具有含有铁和铜的菱沸石(CHA)结构；其中铁在无合成后步骤(例如离子交换步骤)的合成沸石期间已并入沸石，并且其中铜在合成沸石后通过离子交换已并入沸石。优选地，CHA沸石催化剂形成为楽并且涂覆(washcoat)在衬底例如堇青石整块或壁流式衬底上以用作SCR催化剂。催化剂可被涂覆在选自堇青石整块、堇青石壁流式过滤器、碳化硅壁流式过滤器或者金属整块衬底的衬底上。优选地，催化剂在从大约200°C到大约700°C的温度范围下显示出NOx还原活性。基于菱沸石的总重量，铁以按重量计从大约0.25%至大约4.0%，并且更优选地从大约0.5%至大约1.25%的量，存在于菱沸石中。基于菱沸石的总重量，铜以按重量计从大约2.5至大约6.6%，并且更优选地从大约3%至大约5.5%的量，存在于菱沸石中。菱沸石优选地包含SSZ-13，并且具有大约3至5埃，以及更优选地，大约3.8埃的孔径。菱沸石具有大约7至大约15的二氧化硅与氧化铝的比率。菱沸石优选地具有至少大约400m2/g，以及优选地从大约400至大约600m2/g的表面积。根据本专利技术的另一个实施方式，提供用于制备含铁和铜的菱沸石催化剂的方法。该方法包括制备含有娃源和强喊例如氢氧化钠的含水混合物；添加NH4-Y沸石以及铁离子源一一例如硝酸铁一一至混合物，添加有机模板剂至混合物，并且加热并煅烧混合物以形成在其晶格结构中含铁的菱沸石。方法进一步包括进行沸石的铵离子交换并且然后进行铜离子交换以在催化剂中并入铜。在一个实施方式中，模板剂包括N，N，N-三甲基_1_金刚烧胺碘化物。在一个实施方式中，基于在合成中使用的NH4-Y沸石的重量，铁离子源以按重量计大约5至100%的量，并且更优选地按重量计大约5至大约20%的量包括在混合物中。根据本专利技术的另一个方面，提供用于处理发动机尾气的方法，该方法包括在发动机的尾气通道中提供SCR催化剂，其中SCR催化剂包括含有铁和铜的菱沸石催化剂；其中铁在无合成后步骤的沸石的合成期间已并入沸石，并且其中铜在合成沸石后通过离子交换已并入沸石。方法包括暴露催化剂至含有NOx的发动机尾气排放物以便在大约200°C至大约700°C之间的温度下还原至少一部分排放物，优选地还原为N2。也提供尾气处理系统，其包括柴油氧化催化剂和位于柴油氧化催化剂下游的SCR催化剂，其中SCR催化剂包括含有铁和铜的菱沸石催化剂；其中铁在无合成后步骤的沸石的合成期间已并入沸石，并且铜在合成沸石后通过离子交换已并入沸石。在一个实施方式中，尾气处理系统进一步包括位于SCR催化剂下游的柴油颗粒过滤器；其中过滤器包括在其上的菱沸石催化剂涂层。因此，本专利技术实施方式的一个特征为，提供其中含有铁和铜二者的CHA沸石催化剂，该CHA沸石催化剂还原来自汽车尾气的氮氧化物，其在高温和低温二者下提供良好的活性，并且在汽车尾气系统中遇到的全部温度范围内是热稳定的。从以下的描述、附图和所附权利要求中，本专利技术的其他特征和优点将是显而易见的。【附图说明】图1是尾气处理系统的示意图，其包括根据本专利技术实施方式的含有铁和铜的菱沸石(CHA) SCR催化剂；图2是尾气流系统的示意图，其包括根据本专利技术另一个实施方式的在柴油颗粒过滤器上的(CHA)沸石SCR催化剂；图3是根据本专利技术的实施方式制备的含有脱绿的铜和铁的菱沸石催化剂以及比较铜CHA SCR催化剂的NOx转化对温度的图表；和图4是根据本专利技术的实施方式制备的含有铜和铁的菱沸石催化剂以及比较铜CHASCR催化剂的老化(在800°C下80小时)对NOx转化的作用对温度的图表。【具体实施方式】使用含有铁和铜二者的单一菱沸石(CHA)催化剂还原汽车尾气排放物提供了超过其他SCR催化剂一一例如铜菱沸石催化剂以及铁交换的β沸石催化剂一一的优势，因为它在较宽的温度范围内提供NOx还原活本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种催化剂，其包含：具有菱沸石(CHA)结构、含有铁和铜的沸石；其中所述铁在无合成后步骤的所述沸石的合成期间并入所述沸石，并且其中所述铜在所述沸石的合成后通过离子交换并入所述沸石。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·K·兰姆波特，C·N·蒙特勒伊，
申请(专利权)人：福特环球技术公司，
类型：发明
国别省市：美国;US