低贵金属用量高稀土元素用量氧化物催化剂
催化剂用于机动车尾气系统，将发动机工作过程中产生的一氧化碳、碳氢化合物及氮氧化物(NOx)转化为包括二氧化碳、水汽和氮气(H2O)在内的无污染气体。当以汽油为燃料的发动机按理想空/燃比配比或按略大一些的空燃比，例如在约14.7到14.4之间进行工作时，含有铂、钯和铑等贵金属的催化剂能够有效地同时转化上述三种气体。因此，这种催化剂通常被称做“三元”催化剂。典型的这种催化剂用对高的贵金属担载达到所需的高的转化效率以满足许多国家较为苛刻的排放标准。这使得这种催化剂较为昂贵。即使在一些尾气排放标准不那么苛刻的国家中，也需要一种耐久的可以满足较宽松的尾气排放标准并且也较为廉价的催化剂。我们已经发现了一种制造这种耐久的三元催化剂的方法，可比传统的催化剂显著降低贵金属的担载量，使价格减低，但在近似理想空燃比下仍显示优异的尾气转化率。该催化剂包括一种按特殊的排列载有贵金属的铝-稀土(混合金属)氧化物，其中，相对高担载的稀土元素与相对低担载的贵金属相组合。
制备低贵金属/高稀土元素用量的氧化物催化剂的方法啊是在一种基体上涂布(washcoat)一种混合金属氧化物颗粒，然后，在该涂层上提供贵金属。该涂层也可以包括用于该混合金属氧化物的稳定剂颗粒，它与混合金属氧化物颗粒呈基本上均匀的混合物的状态。混合金属氧化物的金属为铝和稀土金属。此处使用“混合金属氧化物”一词是指金属位于混合金属氧化物的晶格中，而使金属可以与氧化物晶格中相同或不同氧原子相连。这不仅仅指氧化铝颗粒与稀土氧化物颗粒的简单混合，更进一步的，它们是同一氧化物的一部分。这种混合金属氧化物与仅仅用单独的氧化铝和稀土氧化物颗粒直接混合而制得的类似的催化剂相比，可提供更高的催化效率。据信，在氧化物晶格中金属原子的靠近原子的接近及优选的相对均一分布对提高HC、CO及NOx的转化效率起作用。该理论是否正确或被理解对本发明的实践并不重要，这只是提供一种本发明中的催化剂的意想不到的优异特性的一种解释。制备混合金属氧化物的一种方式是通过各种金属的可溶性盐溶液的共沉淀，共沉淀技术为本领域技术人员中所熟知。根据此技术，可溶性盐可溶解于一种溶剂中，例如，将铝的硝酸盐和稀土金属的硝酸盐溶解在水中，用加入一种碱例如氢氧化氨的方法使溶液到碱性，例pH值为9，而得到共沉淀。其它可溶性金属化合物如硫酸盐和氯化物，也可以以混合物的形式或不同可溶性化合物，例如带有氯化物的硝酸盐的形式使用。该沉淀随后被加热至分解，得到混合金属氧化物。加热或煅烧通常在高达500℃下进行，得到用于形成催化剂的氧化物的方式不是本发明的关键。
如前所述，本方法提供了一种含有显著低含量的贵金属、从而比传统的高担载贵金属的三元催化剂更低成本的、可将废气组分有效转化的耐久催化剂。据信，这是由于该催化剂在混合金属氧化物中含有铝和稀土元素，且其中稀土元素占很高比例的结果。也就是说，发明人相信，本发明催化剂的意想不到的好的特性(例如，高的转化率，高的耐久性)主要是由于混合金属氧化物中铝和稀土金属靠近原子的接近造成的。发明人进一步认为，通过提供特别用铑过分层涂布的铂和/或钯，可最大限度地使用与传统三元催化剂相比明显少的贵金属总量，而仍然提供优异的尾气转换性能。即通过用这种特殊的方式固定贵金属，尾气首先与强烈引发NOx还原的铑层接触。因此，这种还原在由其它贵金属对HC和CO的氧化之前发生。由于HC和CO基本上以气体扩散到催化剂涂层中，通过铂和钯进行转化，因此它们稍有助于NOx的还原。如上所述，NOx的转换为尾气处理过程中最为困难的方面。这种贵金属的排列方式因此被确信可提高NOx的转化率。而且，人们知道钯对硫毒物特别敏感。通过在其上面分层涂布铑，可降低这种敏感性。因此可保持催化剂整体的高效性。