单层高性能催化剂及其制备方法
三元催化剂用于将内燃机废气中含有的一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)和氮氧化物(NOX)转化成无害的物质。具有优良活性和耐用性的已知三元催化剂采用一种或多种选自铂族金属(如铂，钯，铑)的催化组分，所述的催化组分沉积在一种高表面积、耐火的氧化物载体上，例如，高表面积的氧化铝。载体通常以薄层的形式负载，或涂覆在合适的载体或基质上(例如含有耐火陶瓷或金属蜂窝结构的整块载体)。对提高催化剂活性和延长寿命的需求不断增长，这导致了在载体结构上含有多个催化剂层的复合催化剂的设计，每一层含有选择的载体材料和催化组分以及所谓的促进剂、稳定剂和储氧化合物。现在的三元催化剂利用铂族金属铂、钯和铑。铂和钯主要促进碳氢化合物(HC)和一氧化碳(CO)的氧化，它们在催化剂中可以同时存在或单独存在。铑主要促使氮氧化物(NOX)的还原。虽然铂和钯在一定程度上可以相互替换，但是铑并不是这样。采用铑以及铂和钯中的一种或两种的催化剂仅可以合理的成本满足由最近的合法废气标准颁布的废气净化效率另一方面，已经发现三元催化剂中含有的铑在所谓的燃料切断老化的条件下中毒。燃料切断老化这个术语是指内燃机高负荷操作后因燃料切断而引起的催化剂性能降低。这种情况经常发生在当需要突然减速时高速运行状态。在高速运行状态，发动机在空/燃比稍微低于化学计量值的条件下工作。废气温度可达到900℃以上，因催化剂的放热转化反应而导致了更高的催化剂温度。在突然减速的情况下，现在的马达电子完全停止发动机的燃料供应，结果是正常的废气的空/燃比(也被称作λ值)从富值跳跃到贫值。在较高的催化剂温度下正常的空/燃比从富值到贫值的跳跃降低了催化活性。在化学计量或富余的废气条件下通过延长操作时间可至少部分恢复催化活性。催化剂的性能越好，催化活性在燃料切断老化后恢复地越快。对现在的三元催化剂来说，在燃料切断老化后加快催化活性的恢复是必须的。
本文的目的可通过一种在惰性载体上含有催化涂层的单层高性能催化剂来实现，所述的催化涂层含有铂、铑和各种氧化物材料。催化剂的特征在于催化涂层含有a)至少一种选自第一活性氧化铝，富含二氧化铈的二氧化铈/氧化锆混合氧化物和氧化锆组分的第一载体材料，所述的至少一种第一载体材料是由催化剂总铂量的第一部分催化，并且b)由总铂量的第二部分和铑催化的第二载体材料，所述的第二载体材料是第二活性氧化铝。根据对本发明的理解，对燃料切断老化具有低敏感度的原因在于较高的催化剂温度下正常空/燃比从富值到贫值的较大跳跃降低了特别是铑的催化活性。在化学计量的或富含废气的条件下，铑被还原到几乎为氧化态零价，其对三元催化是最有效的价态。在贫废气和较高的催化剂温度下，铑被氧化成+3价。铑的这种氧化态对污染物的三元转化是没有活性的。而且，由于Rh2O3同Al2O3在晶体结构上是同形的，在600℃以上的温度时Rh2O3会迁移到氧化铝或其它一般组合物M2O3(M代表金属原子)的同形的载体氧化物的晶格中，这样导致了催化活性的永久性降低。为了恢复铑的催化活性和避免铑进入氧化铝晶格的损失，因此当废气组合物变化到化学计量值时，铑必须尽可能快地被还原。根据对本发明的理解，铑到氧化态零价的还原是由铂催化的。铂和铑之间接触越紧密，还原效果就越好。另外，通过这些氧化物的适当搀杂可限制Rh2O3迁移到同形载体氧化物中的趋势。优选的是搀杂组分在还原条件下能够产生活性氢。活性氢气有助于在还原条件下将氧化铑更快地转化成金属形式，因此Rh2O3迁移到载体氧化物的风险进一步减小。为此适当的搀杂组分是氧化铈(二氧化铈)。但是由于二氧化铈也表现出储氧和释放能力，因此二氧化铈的搀杂量必须尽可能低，避免载体氧化物中大量的二氧化仰而促进铑的氧化。
催化剂的制备：为了将催化涂层涂覆到催化剂载体的通道中，催化剂载体可用含水的涂层组合物来涂覆，该含水涂层组合物含有特定催化的颗粒状载体材料。在本发明的上下文中涂层组合物也被称作涂层分散体。将涂层组合物涂覆到催化剂载体上的技术是本领域的技术人员已知的。涂层在空气中干燥并焙烧。干燥优选在150℃的高温下进行。对于涂层的焙烧，应在200-500℃下焙烧0.5-5小时。