Результат интеллектуальной деятельности: КАТАЛИЗАТОР ДЛЯ ИЗБИРАТЕЛЬНОГО ОКИСЛЕНИЯ МОНООКСИДА УГЛЕРОДА В СМЕСИ С АММИАКОМ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к области каталитической очистки выхлопных газов автотранспорта, в частности к катализатору избирательного окисления монооксида углерода (СО) в смеси с аммиаком, содержащему золото, соединение железа и оксид алюминия, и к способу его получения, и может быть использовано для систем очистки выхлопных газов двигателей, работающих в условиях бедной смеси. Такие системы найдут применение при очистке выхлопов автотранспорта.

В настоящее время с целью снижения потребления топлива автотранспортом разрабатываются и внедряются более экономичные двигатели, работающие в условиях бедной смеси (бензиновые двигатели с турбонаддувом, дизельные двигатели), а это приводит к увеличению содержания оксидов азота (NO_x) в автотранспортных выхлопах, т.к. использующиеся в настоящее время нейтрализаторы с трехмаршрутным катализатором (TWC) неактивны в данных условиях и не могут эффективно восстанавливать образующиеся оксиды азота до N3. Следовательно, необходимо использовать другие системы нейтрализации автовыхлопов, работающие в условиях обедненных топливно-воздушных смесей (ТВС). Недавно предложена система пассивного селективного восстановления аммиаком (PASS) [C.H. Kim, К. Perry, M. Viola, W. Li, К. Narayanaswamy, SAE Technical Paper 2011-01-0306 (2011) 452 р.], действие которой основано на следующих принципах.

1. Периодически двигатель работает на обогащенной ТВС при небольшом, по сравнению со стехиометрией, снижении соотношения воздух-топливо. При этом на TWC образуется аммиак.

2. Получаемый аммиак поглощается (адсорбируется) катализатором селективного восстановления оксидов азота (SCR), расположенным вслед за TWC.

3. При последующих циклах работы двигателя на бедной смеси образующиеся NO_x превращаются в экологически безвредный азот на катализаторе SCR с помощью адсорбированного аммиака.

Поскольку катализаторы SCR эффективны при температурах ниже 400°С, то для снижения температуры аммиаксодержащего газа осуществляется его разбавление воздухом извне. Однако одновременно с аммиаком образуется большое количество токсичного монооксида углерода (СО), который не окисляется на катализаторе SCR, более того отравляет его и поступает в окружающую среду. Одним из способов устранения данного недостатка может быть размещение между катализаторами TWC и SCR дополнительного катализатора избирательного окисления СО в присутствии аммиака, обеспечивающего высокую степень окисления СО до углекислого газа при минимальной конверсии аммиака. Рабочие температуры катализатора избирательного окисления СО должны быть минимально возможными и не превышать 400°С.

В литературе описано и запатентовано множество катализаторов окисления СО в выхлопах автомобильных двигателей [Н.М. Попова. Катализаторы очистки выхлопных газов автотранспорта. Изд-во «Наука», Алма-Ата, 1987; R.M. Heck, R.J. Farrauto. Catalytic air pollution control. Commercial Technology. Van Nostrand Reinhold, Division of International Thomson Publishing Inc., New-York, 1995], в качестве активного компонента в которых используется Pt, Pd, Rh. Недостатками этих катализаторов является низкая эффективность при повышенном содержании СО и высокая активность в окислении аммиака [Chang-Mao Hung, Cordierite-supported Pt-Pd-Rh ternary composite for selective catalytic oxidation of ammonia, Powder Technology 200 (2010) 78-83], что приводит к одновременному окислению СО и аммиака в смесях.

Известны алюможелезооксидные катализаторы окисления моноксида углерода, содержащие 1,9-5,3% железа в виде оксида, остальное - гамма-оксид алюминия [Taskina S.Yu., Kirichenko O.A. and Chermashentseva O.K. Oxidation of methane, butane and carbon monoxide on Al-Fe-O oxide catalysts. React. Kinet. Catal. Lett., 49, 2 (1993) 235-240]. Катализаторы готовят путем пропитки по влагоемкости оксида алюминия растворами оксалатокомплексов железа с последующей сушкой и термообработкой при 350-400°С. Недостатком этих катализаторов являются повышенные температуры окисления СО.

В литературе описаны катализаторы, содержащие 5% золота на гамма-оксиде алюминия, модифицированном оксидом магния, промотированные оксидами железа, при следующем атомном соотношении Au:Mg:Fe=1:5:5 [R.J.H. Grisel, C.J. Weststrate, A. Goossens, M.W.J. Crajé, A.M. van der Kraan, B.E. Nieuwenhuys, Oxidation of CO over Au/MO_x/Al₂O₃ multi-component catalysts in a hydrogen-rich environment. Catal. Today 72 (2002) 123-132]. Катализаторы готовят путем последовательного нанесения на гамма-оксид алюминия оксида магния, золота и оксида железа. Нанесение прекурсора золота на оксид алюминия осуществляют осаждением мочевиной из растворов золотохлористоводородной кислоты (HAuCl₄) при нагревании, с последующей сушкой и термообработкой в токе водородсодержащего инерта при 300°С. Промотирование оксидами железа проводили пропиткой катализаторов состава Au/MgO/Al₂O₃ растворами нитрата железа с последующей термообработкой при 400°С.

Известен катализатор окисления СО состава FeO_x/Au/Al₂O₃ [R.J.H. Grisel, B.E. Nieuwenhuys. A comparative study of the oxidation of CO and CH₄ over Au/MO/Al₂O₃. Catalysis Today 64 (2001) 69-81], содержащий носитель (гамма-оксид алюминия), каталитический компонент (золото, 5%) и промотор (оксид железа) при атомном соотношении Au:Fe=1, что соответствует массовому содержанию железа 1,4%. Этот катализатор готовили путем последовательного нанесения соединений золота и железа на гамма-оксид алюминия. Сначала на гамма-оксид алюминия осаждают прекурсор золота из раствора золотохлористоводородной кислоты, используя мочевину в качестве осадителя. Для этого готовят водный раствор золотохлороводородной кислоты, содержащий требуемое количество золота, с pH, приблизительно равным 4,0, и прибавляют его к гамма-оксиду алюминия. К суспензии присыпают избыток мочевины, нагревают суспензию до 70-75°С и выдерживают при этих температурах, пока значение pH достигнет 8. После этого суспензию охлаждают и фильтруют. Полученный образец отмывают от хлорид-ионов, сушат и восстанавливают в водороде при 300°С. Аналогичным образом на приготовленный образец Au/Al₂O₃ наносят прекурсор железа, сушат при 80°С и прокаливают при 400°С в течение 30 мин. Недостатком катализатора является высокое содержание золота и слишком высокая активность катализатора в окислении аммиака при температурах ниже 400°С. Недостатком способа получения катализатора является необходимость двукратного проведения длительного осаждения мочевиной в суспензии, фильтрования и отмывки, а также увеличение размера частиц золота от 2,7 нм до 6,7 нм после второго осаждения, что снижает эффективность использования золота.

Известны золотосодержащие (1,35 мас.% Au) катализаторы окисления СО, в которых алюмооксидный носитель предварительно промотирован оксидом железа (1,8-7,2 мас.%) [X. Zou, J. Xu, S. Qi, Z. Suo, L. An, F. Li. Effects of preparation conditions of Au/FeO_x/Al₂O₃ catalysts prepared by a modified two-step method on the stability for CO oxidation. J Natural Gas Chemistry 20 (2011) 41-47], и принятый нами за прототип. Промотирование проводят путем пропитки гамма-модификации оксида алюминия (удельная поверхность 133 м²/г) по влагоемкости раствором нитрата или хлорида железа (III), с последующей сушкой при 110°С и прокаливанием при 450°С в течение 2 часов. Золото наносят путем пропитки по влагоемкости промотированного носителя раствором золотохлористоводородной кислоты, предварительно доведенным до pH=6-9 добавлением 0,5-1 М КОН. Через 2 часа пропитанный носитель погружают на 24 часа в разбавленный раствор аммиака (pH<10), после чего образец отделяют от раствора, промывают многократно дистиллированной водой, сушат при 60°С и прокаливают (или восстанавливают в водороде) при 300°С в течение 1 часа. Недостатком данного катализатора является высокая активность в окислении аммиака. Недостатком способа приготовления катализатора является большая потеря золота при его приготовлении (10 относ.%), необходимость длительной выдержки в растворе аммиака.

Задачей настоящего изобретения является повышение активности и избирательности катализатора в окислении монооксида углерода в присутствии аммиака, а также разработка способа его получения.

Поставленная задача достигается предлагаемым катализатором для избирательного окисления монооксида углерода в смеси с аммиаком, включающим золото, соединение железа и оксид алюминия, согласно изобретению, катализатор содержит кристаллическую тэта-модификацию оксида алюминия (θ-Al₂O₃) при следующем соотношении компонентов, мас.%:

и предложенными способами его получения. Первый способ осуществляют путем нанесения соединения железа на кристаллическую тэта-модификацию оксида алюминия с дальнейшей термообработкой полученного образца Fe/θ-Al₂O₃ при температуре 350-550°C с последующим нанесением на него золота путем осаждения его прекурсора и восстановлением до металлического золота. Второй способ получения катализатора осуществляют путем нанесения соединения железа на активный оксид алюминия, представляющий собой гамма- или дельта-модификацию, с последующим прокаливанием при температуре 950-1000°С и нанесением золота на полученный таким образом образец Fe/θ-Al₂O₃ путем осаждения его прекурсора с последующим восстановлением до металлического золота.

Таким образом, отличием первого способа является нанесения соединения железа на готовую кристаллическую тэта-модификацию оксида алюминия (θ-Al₂O₃).

Второй способ предусматривает стадию нанесения соединения железа путем пропитки активного оксида алюминия, представляющего собой гамма- или дельта-модификацию, водным раствором соединения железа и последующую стадию прокаливания при температуре 950-1000°С до полиморфного превращения оксида алюминия в тета-модификацию с одновременным взаимодействием с ионами Fe³⁺ и их стабилизацией на поверхностных центрах θ-Al₂O₃.

Золото наносится методом осаждения с помощью мочевины, щелочи или других осадителей. С целью полного осаждения золота и повышения его дисперсности осаждение прекурсора золота предпочтительно с помощью мочевины.

Отличительным признаком предлагаемого катализатора является использование в качестве носителя оксида алюминия с кристаллической структурой тэта-модификации, промотированного ионами железа, а в качестве активного компонента - золота, а также их количественное содержание, которое составляет 0,8-5 мас.% железа, 0,7-1,2 мас.% золота, тэта-оксид алюминия - остальное, что позволило увеличить активность и избирательность катализатора в окислении СО и при этом снизить активность в окислении аммиака.

При наличии других, помимо тэта-, модификаций оксида алюминия снижается избирательность катализатора. В отсутствие или при более низкой концентрации золота снижается активность и избирательность катализатора в окислении СО. Увеличение концентрации золота более 1,2 мас.% нецелесообразно, так как незначительно повышает активность катализатора и, более того, приводит к снижению избирательности. Увеличение концентрации железа более 5 мас.% вызывает полиморфное превращение активных оксидов алюминия непосредственно в альфа-модификацию, что приводит к потере активности и избирательности. При концентрации железа менее 0,8 мас.% снижается избирательность в окислении СО.

Следует отметить, что золотосодержащие катализаторы на промотированной соединениями железа тэта-модификации оксида алюминия не предлагались вообще в катализе.

Отличительным признаком предлагаемых способов получения катализатора является использование в качестве носителя тэта-модификации оксида алюминия, промотированного ионами железа.

В качестве исходного соединения железа могут быть использованы соли, обычно применяемые для нанесения оксидов железа на подложки, например нитрат, ацетат, хлорид, оксалат и оксалатокомплексы. В качестве исходного соединения золота могут быть использованы золотохлористоводородная кислота и ее соли, обычно применяемые для нанесения наночастиц золота на подложки, а также другие соединения, например ацетат и галогениды золота.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание катализатора для избирательного окисления монооксида углерода в газовой смеси с аммиаком с повышенными активностью и избирательностью в окислении СО при одновременном уменьшении активности в превращении аммиака.

Изобретение соответствует критерию «новизна», так как в известной научно-технической и патентной литературе отсутствует полная совокупность признаков, характеризующих предлагаемое изобретение. Катализаторы, содержащие золото, нанесенное на тэта-модификацию оксида алюминия, промотированного железом, по проведенному нами анализу научно-технической литературы, а также рефератов и описаний патентов, не использовались для избирательного окисления СО в смеси с аммиаком.

Изобретение также соответствует критерию «изобретательский уровень», так как в отличие от известных катализаторов окисления монооксида углерода, содержащих два активных компонента, одним из которых являются частицы золота, нанесенные на носитель, состоящий из частиц гамма-модификации оксида алюминия и нанесенных на них частиц оксида железа, предлагаемый катализатор содержит в качестве алюможелезооксидного носителя тэта-модификацию оксида алюминия с включениями ионов Fe³⁺ преимущественно в виде поверхностных изолированных или обменно-связанных ионов; активность такой системы в реакции избирательного окисления монооксида углерода в присутствии аммиака, а также предлагаемый настоящим изобретением путь их синтеза не были описаны ранее. Более того, из приведенных в литературе результатов исследований каталитической активности систем, содержащих одновременно золото, железо в оксидной форме и оксид алюминия, не следует возможность снижения активности в окислительном превращении аммиака, а наоборот, отмечалось повышение активности в окислении аммиака при промотировании активного оксида алюминия соединениями железа [S.D. Lin, A.C. Gluhoi, B.E. Nieuwenhuys. Ammonia oxidation over Au/MO_x/γ-Al₂O₃-activity, selectivity and FTIR measurements. Catalysis Today 90 (2004) 3-14].

Испытания катализаторов в окислении СО проводили в проточной установке с выдержкой при постоянной температуре до постоянных значений конверсии СО. Состав реакционной смеси: СО 4,5 об.%, NH₃ 1,5 об.%, О₂ 22,5 об.%, гелий - остальное. Объемная скорость подачи реакционной смеси 6000 ч^-1. Активность сравнивали по температурам достижения 50 и 95% конверсии СО: чем ниже температура, тем более активен катализатор. Избирательность катализаторов в окислении СО оценивали по разнице температур (T₁₀NH₃-Т₉₅СО) детектируемого превращения аммиака (конверсия 10%) и практически полного окисления СО (конверсия 95%). При избирательном окислении СО эта разность имеет положительные значения, а отрицательная величина указывает на одновременное окисление аммиака в смеси с СО.

Фазовый состав носителей анализировали на дифрактометре ДРОН-2 в Cu Кα излучении. Полноту осаждения золота контролируют иодометрическим титрованием пробы раствора из суспензии [С.И. Гинзбург, К.А. Кладышевская. Руководство по химическому анализу платиновых металлов и золота. Москва, Наука, 1965].

Изобретение далее иллюстрируется примерами, не ограничивающими его объем.

Пример 1. Образец заявляемого состава. Навеску 3,00 г тэта-оксида алюминия с удельной поверхностью 95 м²/г пропитывают по влагоемкости требуемым количеством (1,7 мл) 0,25 М раствора нитрата железа, сушат на роторном испарителе при 80°С. Высушенный образец прокаливают в муфельной печи при температуре 550°С 4 часа. На полученный таким образом модифицированный железом оксид алюминия наносят золото. Нанесение золота проводят известным методом осаждения с помощью мочевины. Для этого 3,00 г модифицированного оксида алюминия диспергируют в 290 мл дистиллированной воды и нагревают до 80°С. Далее, при интенсивном перемешивании, к суспензии добавляют 0,75 мл 0,204 М раствора золотохлористоводородной кислоты (HAuCl₄), 0,90 г мочевины и продолжают перемешивание при 80°С в течение 4 часов. Полнота осаждения золота 99%. После этого суспензию охлаждают до комнатной температуры, образец отделяют от раствора центрифугированием, промывают 50 мл 0,01М NH₄OH и декарбонизированной дистиллированной водой для удаления ионов хлора, при этом осадок так же отделяют центрифугированием. Катализаторы сушат на воздухе до сыпучего состояния, а затем в сушильном шкафу при 60°С. Перед исследованием на активность катализатор прокаливают в муфеле при 300°С в течение 2 часов. Содержание железа в катализаторе составляет 0,8 мас.%, золота - 1,0 мас.%. Приготовленный катализатор испытывают в реакции избирательного окисления СО в смеси с аммиаком. Результаты испытания приведены в таблице.

Пример 2. Образец заявляемого состава. Аналогичен примеру 1, но используется 1,57 М раствор триоксалатоферрата аммония, а прокаливание ведется при температуре 350°С. Состав и результаты испытания катализатора приведены в таблице.

Пример 3. Навеску 3,00 г гамма-оксида алюминия с удельной поверхностью 115 м²/г пропитывают по влагоемкости требуемым объемом (2,18 мл) 0,25 М раствора нитрата железа, сушат на роторном испарителе при 80°С. Высушенный образец прокаливают в муфельной печи при 1000°С 2 часа. Фазовый состав полученного носителя - θ-Al₂O₃. На полученный таким образом модифицированный железом оксид алюминия наносят золото. Нанесение золота проводят аналогично примеру 1 методом осаждения с помощью мочевины, но объем раствора HAuCl₄ 0,90 мл. Состав и результаты испытания катализатора приведены в таблице.

Пример 4. Аналогичен примеру 3, но в качестве исходного соединения железа берут триоксалатоферрат аммония в виде 1,25 М раствора, прокаливание проводят при температуре 950°С, а объем раствора HAuCl₄ 0,53 мл. Состав и результаты испытания катализатора приведены в таблице.

Следующие примеры 5-10 даны для сравнения и описывают приготовление и результаты испытания образцов с запредельными значениями температуры прокаливания (Примеры 5 и 6), прототипа по составу и способу приготовления катализатора (Пример 7) и образцов с запредельными значениями состава (Примеры 8-10). Температура термообработки модифицированного оксида алюминия и результаты испытаний активности и избирательности в окислении СО приведены в таблице.

Пример 5. Аналогичен примеру 4, но температура прокаливания модифицированного оксида алюминия 900°С. Приготовленный катализатор испытывают в реакции избирательного окисления СО в смеси с аммиаком. Фазовый состав модифицированного носителя, а также химический состав и результаты испытания катализатора приведены в таблице.

Пример 6. Аналогичен примеру 4, но температура прокаливания модифицированного оксида алюминия 1050°С. Фазовый состав модифицированного носителя, а также химический состав и результаты испытания катализатора приведены в таблице.

Пример 7 (по прототипу). Промотирование проводят путем пропитки навески (2,20 г) гамма-модификации оксида алюминия (удельная поверхность 130 м²/г) по влагоемкости 1,38 М раствором нитрата железа (объем раствора 1,44 мл), с последующей сушкой при 110°С 14 часов и прокаливанием при 450°С в течение 2 часов. Золото наносят путем пропитки промотированного носителя раствором золотохлористоводородной кислоты, предварительно доведенным до pH =6,8 добавлением 1 М КОН. Для приготовления этого раствора к 0,8 мл 0,204 М раствора золотохлористоводородной кислоты добавляют 0,6 мл 1 М КОН. Через 2 часа пропитанный носитель погружают на 24 часа в разбавленный раствор аммиака (pH=9,8), после чего образец отделяют от раствора, промывают многократно дистиллированной водой, сушат при 60°С 14 часов и прокаливают в муфеле при 300°С в течение 1 часа. Полнота осаждения золота 90%. Приготовленный катализатор испытывают в реакции избирательного окисления СО в смеси с аммиаком. Состав и результаты испытания катализатора приведены в таблице.

Пример 8. Навеску 2,00 г гамма-оксида алюминия с удельной поверхностью 115 м²/г пропитывают по влагоемкости требуемым объемом (1,45 мл) 0,15 М раствора нитрата железа, сушат на роторном испарителе при 80°С. Высушенный образец прокаливают в муфельной печи при 1000°С 2 часа. Фазовый состав полученного носителя - θ-Al₂O₃. На полученный таким образом модифицированный железом оксид алюминия наносят золото. Нанесение золота проводят аналогично примеру 1 методом осаждения с помощью мочевины. Для этого 2,00 г модифицированного оксида алюминия диспергируют в 20 мл дистиллированной воды и нагревают до 80°С. Далее, при интенсивном перемешивании, к суспензии добавляют 1,25 мл 8,16·10^-3 М раствора золотохлористоводородной кислоты (HAuCl₄), 0,088 г мочевины и продолжают перемешивание при 80°С в течение 4 часов. Полнота осаждения золота 99%. После этого суспензию охлаждают до комнатной температуры, образец отделяют от раствора центрифугированием, промывают 50 мл 0,01М NH₄OH и декарбонизированной дистиллированной водой для удаления ионов хлора, при этом осадок так же отделяют центрифугированием. Катализаторы сушат на воздухе до сыпучего состояния, а затем в сушильном шкафу при 60°С. Перед исследованием на активность катализатор прокаливают в муфеле при 300°С в течение 2 часов. Состав и результаты испытания катализатора приведены в таблице.

Пример 9. Аналогичен примеру 1, но промотирование тэта-оксида алюминия соединением железа не проводят. Состав и результаты испытания катализатора приведены в таблице.

Пример 10. Аналогичен примеру 3, но золото не наносят. Состав и результаты испытания катализатора приведены в таблице.

Приведенные примеры 1-2 показывают, что катализаторы, приготовленные по первому способу на промотированной железом тэта-модификации оксида алюминия, позволяют проводить избирательное окисление монооксида углерода в присутствии аммиака и добиваться практически полного окисления СО до углекислого газа без существенной конверсии аммиака. Золотосодержащие катализаторы на промотированной железом тэта-модификации оксида алюминия, приготовленные по второму способу (Примеры 3-4), обладают более высокой активностью и избирательностью в окислении СО. При изменении способа получения (повышение или понижение температуры термообработки) получаются катализаторы с небольшой разницей температур полного окисления СО и существенного превращения аммиака, т.е. низкой избирательностью (сравнительные примеры 5 и 6). Известный катализатор, приготовленный по прототипу (сравнительный пример 7), обладает высокой активностью в окислении как СО, так и аммиака, что приводит к их одновременному окислению, причем при полном окислении СО конверсия аммиака практически 100%, и, следовательно, не может быть использован для селективного окисления СО в присутствии аммиака. При концентрациях железа и золота менее заявляемых пределов снижается каталитическая активность и избирательность катализатора (сравнительный пример 8). На золотосодержащем катализаторе, приготовленном на непромотированном железом тэта-Al₂O₃ (сравнительный пример 9), окисление СО и аммиака протекает одновременно, причем при практически полном окислении СО конверсия аммиака достигает 40%. Промотированный железом тэта- Al₂O₃ (сравнительный пример 10), но не содержащий золото, обладает значительно более низкой активностью и избирательностью в окислении СО, чем катализатор заявляемого состава. Только совокупность всех заявляемых признаков изобретения позволяет достичь поставленной цели и получить высокоактивный и избирательный катализатор окисления СО в смеси с аммиаком.

Таким образом, техническим результатом настоящего изобретения является повышение избирательности в окислении СО в смеси с аммиаком за счет увеличения активности катализатора в окислении СО при одновременном уменьшении активности в превращении аммиака.

Предлагаемое изобретение может быть применимо в различных системах и устройствах, используемых при очистке выхлопов автотранспорта. Предлагаемые способы приготовления катализатора позволяют получать высокоэффективные катализаторы окисления монооксида углерода, способные избирательно окислять СО в смесях с аммиаком при низких температурах без конверсии аммиака, причем наличие большого температурного интервала между областями окисления СО и аммиака расширяет возможности конструкторской разработки соответствующих устройств очистки аммиака от СО. Предлагаемый способ получения катализатора является технологичным, не требует специфической аппаратуры, а в случае использования триоксалатоферрата аммония и экологически безопасным, что в совокупности позволит организовать широкомасштабное производство катализатора на базе существующих производств химической промышленности.