DE10147338A1

DE10147338A1 - Keramischer Katalysatorkörper und keramischer Träger

Info

Publication number: DE10147338A1
Application number: DE10147338A
Authority: DE
Inventors: Tasiharu Kondo; Masakazu Tanaka; Tomohiko Nakanishi; Kazuhiko Koike
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-09-29
Filing date: 2001-09-26
Publication date: 2002-05-23
Also published as: JP2002177794A; CN1346694A; ZA200107895B; US20020042344A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung verbessert einen keramischen Träger, der direkt eine Katalysatorkomponente tragen kann, und stellt einen keramischen Träger und einen keramischen Katalysatorkörper bereit, welcher eine hohe katalytische Leistung und einen praktischen Wert aufweist. DOLLAR A Gemäß der vorliegenden Erfindung wird in dem keramischen Katalysatorkörper 1, der eine auf dem keramischen Träger 2 mit einer monolithischen Form und mit einer großen Anzahl an Poren oder Elementen, die den Katalysator auf der Oberfläche des Cordierits direkt tragen können, geträgerte Katalysatorkomponente aufweist, die Katalysatormenge pro Volumeneinheit im mittleren Bereich A des Trägers, in dem viel Gas durchfließt, auf das 1,1-fache und bevorzugt das 2-fache oder größer als im peripheren Bereich B eingestellt. Dadurch, dass im mittleren Bereich des Trägers, in dem viel Gas durchfließt, mehr Katalysator vorhanden ist, ist die Reinigungsleistung verbessert.

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen keramischen Träger, der als ein Träger zur Trägerung einer Katalysatorkomponente in einem Abgasreinigungskatalysator eines Automobilmotors oder dergleichen eingesetzt wird, und auf einen keramischen Katalysatorkörper.

Ein Katalysator wurde zur Abgasreinigung eingesetzt, in welchem ein Monolithträger, hergestellt aus Cordierit, mit einer hohen Widerstandsfähigkeit gegenüber einem Wärmeschock mit γ- Aluminiumoxid beschichtet ist und mit einem darauf geträgerten Edelmetallkatalysator versehen ist. Die Beschichtungsschicht wird erzeugt, weil die spezifische Oberfläche des Cordierits zu klein zur Trägerung der erforderlichen Menge der Katalysatorkomponente ist. Folglich kann die spezifische Oberfläche des Trägers mittels eines Materials mit einer großer spezifischen Oberfläche wie etwa γ-Aluminiumoxid gesteigert werden.

Falls die Oberflächen der Trägerzellenwände mit γ-Aluminiumoxid beschichtet sind, steigt jedoch die Wärmekapazität des Trägers aufgrund des Massenanstiegs an. Kürzlich wurden Studien hinsichtlich der Absenkung der Wärmekapazität durch das Verdünnen der Zellenwand durchgeführt, um den Katalysator früher zu aktivieren. Jedoch wurde der Effekt dieses Versuchs durch die Ausbildung der Beschichtungsschicht reduziert. Es kam ebenfalls zu Problemen dahingehend, dass die Abnahme der Querschnittsfläche der Zellen den Druckverlust ansteigen lässt, und dass der Wärmeausdehnungskoeffizient größer als der eines einfach aus Cordierit erzeugten Trägers wird.

Mit dem vorstehend beschriebenen Hintergrund schlugen die Erfinder der vorliegenden Erfindung einen keramischen Träger vor, welcher eine erforderliche Menge der Katalysatorkomponente ohne die Erzeugung der Beschichtungsschicht tragen kann, um die spezifische Oberfläche zu steigern (japanische Patentanmeldung Nr. JP-2000/104994). Obwohl untersucht wurde, mittels einer Säurebehandlung oder Wärmebehandlung eine teilchenförmige Komponente zu eluieren, um dadurch die spezifische Oberfläche des Cordierits selbst zu steigern (z. B., ungeprüfte japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. JP-A-5-503338), sind solche Versuche nicht praktisch anwendbar, da die Säurebehandlung oder Wärmebehandlung eine Zerstörung des Kristallgitters des Cordierits verursacht, wodurch eine geringere mechanische Stabilität resultiert.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den vorstehend beschriebenen keramischen Träger zu verbessern, um dadurch einen keramischen Träger und einen keramischen Katalysatorkörper mit einer verbesserten katalytischen Leistung und einem hohen praktischen Wert bereitzustellen.

Gemäß eines ersten Gesichtspunkts der Erfindung umfasst der keramische Katalysatorkörper einen keramischen Träger, der einen Katalysator direkt auf der Oberfläche des keramischen Substrats tragen kann, und eine auf dem keramischen Träger geträgerte Katalysatorkomponente, wobei die Katalysatormenge, die auf einer Volumeneinheit des Trägers im mittleren Bereich, in dem der Gasstrom maximal ist, geträgert ist, auf das 1,1- fache oder höher als die in der Peripherie eingestellt ist. Das Gasreinigungsverhältnis kann durch eine größere geträgerte Katalysatormenge im mittleren Bereich des Trägers, in dem der Gasstrom maximal ist, verbessert werden.

Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung umfasst der keramische Katalysator einen keramischen Träger, der den Katalysator direkt auf der Oberfläche des keramischen Substrats tragen kann, in dem die Oberfläche pro Volumeneinheit des Trägers in dessen mittlerem Bereich, in dem die Gasstromgeschwindigkeit am höchsten ist, auf das 1,1-fache oder höher von der der Peripherie eingestellt ist. Ähnliche Effekte zu denen des ersten Gesichtspunkts können ebenso durch Steuerung der spezifischen Oberfläche des keramischen Trägers erzielt werden, und das Reinigungsverhältnis kann durch eine Trägerung des Katalysators auf dem keramischen Träger verbessert werden, dessen Oberfläche im mittleren Bereich erhöht ist.

Gemäß einem dritten Gesichtspunkt der Erfindung kann die Oberfläche des Trägers, welcher den Aufbau des zweiten Gesichtspunkts aufweist, in dessen mittleren Bereich z. B. mittels der Herstellung des Trägers in einer monolithischen Form, mit dem mittleren Bereich des Trägers in einer Weise, dass er eine hohe Zellendichte aufweist, oder in einer polygonalen bzw. vieleckigen oder runden Zellenform gesteigert werden. Der Peripheriebereich des Trägers kann im Gegensatz dazu derart ausgestaltet sein, dass er eine niedrige Zellendichte aufweist, oder dass er in rechtwinkliger, hexagonaler oder dreieckiger Zellenform aufgebaut ist.

Gemäß einem vierten Gesichtspunkt der Erfindung, in der die Projektionsfläche eines Gaseinlasses auf den keramischen Träger mit S bezeichnet ist, wird der mittlere Bereich des Trägers als eine Region festgesetzt, welche eine Querschnittsfläche in einem Bereich des 1,1- bis 2-fachen der Projektionsfläche S aufweist, wobei der Mittelpunkt der Projektion des Gaseinlasses im mittelpunkt liegt. Da sich die Zone der großen Durchflussrate oder der hohen Geschwindigkeit des Gasstroms innerhalb des vorstehend beschriebenen Bereichs in Abhängigkeit der Motorbetriebsbedingung ändert, kann der mittlere Bereich und der periphere Bereich des Trägers unter Bezugnahme auf diesen Bereich gemäß der erforderlichen Leistung eingestellt werden.

Gemäß einem fünften Gesichtspunkt der Erfindung umfasst der keramische Katalysator einen keramischen Träger, der den Katalysator direkt auf der Oberfläche des keramischen Substrats tragen kann, wobei 50 Gew.-% oder mehr des gesamten Katalysators in einem Bereich vom stromaufwärtigen Ende des Trägers bis zu einem Punkt bei einem Viertel bis einem Drittel der gesamten Länge konzentriert vorliegt. Die Katalysatorreaktion kann durch eine Erhöhung der Katalysatordichte in der Region vom stromaufwärtigen Ende bis zu einem Punkt bei einem Viertel bis einem Drittel der gesamten Länge, in welchem die anfängliche Katalysatorreaktion stattfindet, gesteigert werden.

Gemäß einem sechsten Gesichtspunkt der Erfindung umfasst der keramische Katalysator einen keramischen Träger, der den Katalysator direkt auf der Oberfläche des keramischen Substrats tragen kann, und eine auf dem keramischen Träger geträgerte Katalysatorkomponente, wobei ein Katalysator mit einer hohen Wärmebeständigkeit auf der stromaufwärtigen Seite des einströmenden Gases angeordnet ist und ein Katalysator mit geringer Wärmebeständigkeit in der stromabwärtigen Seite angeordnet ist. Falls mehrere Katalysatorsorten eingesetzt werden, kann eine Verschlechterung des Katalysators durch Anordnung des Katalysators mit einer höheren Wärmebeständigkeit in der stromaufwärtigen Seite bezüglich des einströmenden Gases, in der die Temperatur höher sein kann, verhindert werden.

Gemäß einem siebten Gesichtspunkt der Erfindung ist der vorstehend beschriebene Katalysator mit höherer Wärmebeständigkeit ein Katalysator mit einem 50%- Reinigungsverhältnis bei einer Einlasstemperatur von nicht höher als 300°C, und der vorstehend beschriebene Katalysator mit einer niedrigeren Wärmebeständigkeit ist ein Katalysator mit einem 50%-Reinigungsverhältnis bei einer Einlasstemperatur von nicht weniger als 350°C. Der Effekt des sechsten Gesichtspunkts kann leicht durch eine Kombination von mehreren solchen Katalysatoren erzielt werden.

Gemäß einem achten Gesichtspunkt der Erfindung ist die Querschnittsfläche des Katalysators in jedem der vorstehend beschriebenen Gesichtspunkte bevorzugt größer als die Querschnittsfläche einer Gaseinlassröhre, die an den keramischen Katalysator angebunden ist. Während die Verfahrenskapazität durch Erhöhung des Katalysatorvolumens gesteigert werden kann, falls die Querschnittsfläche groß ist, erhöht sich die Möglichkeit, dass das vorstehend beschriebene Problem auftritt, da der Gasstrom durch den mittleren Bereich und die Peripherie des Katalysators strömt. Somit können die Effekte der in den vorstehend beschriebenen Gesichtspunkten vorliegenden Konstitutionen vorteilhafter Weise erzielt werden.

Gemäß einem neunten Gesichtspunkt der Erfindung umfasst der keramische Katalysatorkörper einen keramischen Träger, der den Katalysator direkt auf der Oberfläche des keramischen Substrats tragen kann, und eine auf den keramischen Träger geträgerte Katalysatorkomponente, wobei der Katalysator Teilchen mit einer solchen Gestalt umfasst, die eine größere Oberfläche als kugelförmige bzw. spherische oder halbkugelförmige Teilchen des gleichen Gewichts umfasst.

Die Abgasreinigungsleistung hängt von der Oberfläche des Katalysators ab, und je größer die Oberfläche ist, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit des Kontakts mit dem Abgas, wodurch sich eine höhere Leistung ergibt. Die Oberfläche einer gegebenen Katalysatormenge kann zum Beispiel durch Reduzierung der Katalysatorteilchengröße gesteigert werden, wobei aber dieser Versuch seine Grenzen hat. Demgemäß beachtet die vorliegende Erfindung die Gestalt der Katalysatorteilchen und verwendet eine Gestalt, die eine größere Oberfläche als kugelförmige oder halbkugelförmige Teilchen des gleichen Gewichts aufweist. Unter der Voraussetzung, dass jedes Katalysatorteilchen das gleiche Gewicht aufweist, besitzt die Oberfläche ihr Minimum dann, falls das Katalysatorteilchen eine kugelförmige Gestalt aufweist. Somit kann die zur Katalysatorreaktion beitragende effektive Fläche für eine höhere katalytische Leistung dadurch gesteigert werden, dass die Katalysatorteilchen in einer anderen Gestalt als einer kugelförmigen (oder halbkugelförmigen) Gestalt ausgebildet sind.

Gemäß einem zehnten Gesichtspunkt der Erfindung kann die Gestalt der Katalysatorteilchen wenigstens eine der folgenden sein: ein Polyhedron, eine konische bzw. kegelförmige Gestalt oder ein Kegel, von dem ein Teil fehlt, eine im Wesentlichen kugelförmige Gestalt mit Oberflächenunebenheiten oder Vorsprüngen, nadelförmige und hohle Teilchen. Alle diese Gestalten weisen größere Oberflächen als die kugelförmige (oder halbkugelförmige) Gestalt auf.

Gemäß einem elften Gesichtspunkt der Erfindung umfasst der keramische Katalysatorkörper einen keramischen Träger, der den Katalysator direkt auf der Oberfläche des keramischen Substrats tragen kann, und eine auf dem keramischen Träger geträgerte Katalysatorkomponente, wobei der Katalysator in einer Ebene ausgerichtet ist, die eine hohe katalytische Aktivität besitzt.

Mit einer gegebenen Gestalt der Katalysatorteilchen wird die Reinigungsleistung höher, falls der Katalysator in einer Ebene mit einer hohen katalytischen Aktivität ausgerichtet ist. Somit kann die katalytische Leistung ebenso durch Ausrichtung des Katalysators in einer Ebene, welche ein hohe katalytische Aktivität aufweist, anstelle der Erhöhung der Oberfläche verbessert werden.

Gemäß einem zwölften Gesichtspunkt der Erfindung ist der Katalysator in den Poren durch Imprägnierung des keramischen Trägers mittels einer Katalysatorlösung und Sintern geträgert. Der Einsatz der Lösung erleichtert die Eindringung der Katalysatorkomponente in die Poren und ebenso die Erzeugung kleinerer Teilchen, da die Katalysatorkomponente in der Form von Ionen geträgert vorliegt.

Gemäß einem dreizehnten Gesichtspunkt der Erfindung können ein oder mehrere der die Bestandteile bildenden Elemente des keramischen Substrats durch ein anderes Element als das den Bestandteil bildende Element substituiert sein, und ein Träger, welcher die Katalysatorkomponente direkt auf dem substituierten Element tragen kann, kann eingesetzt werden.

In diesem Fall ist die Katalysatorkomponente gemäß einem vierzehntem Gesichtspunkt der Erfindung bevorzugt auf dem substituierenden Element durch eine chemische Bindung geträgert. Die chemische Bindung der Katalysatorkomponente verbessert die Retention bzw. Zurückhaltung des Katalysators und mäßigt die Verschlechterung über einen langen Verwendungszeitraum, da die Katalysatorkomponente über den Träger ohne Koagulation eben verteilt vorliegt.

Gemäß einem fünfzehnten Gesichtspunkt der Erfindung können ein oder mehrere Elemente mit d- oder f-Schalen in deren Elektronenhüllen als das vorstehend beschriebene substituierende Element eingesetzt werden. Elemente mit d- oder f-Schalen in deren Elektronenhülle besitzen eine höhere Tendenz zur Ausbildung einer Bindung mit der Katalysatorkomponente und sind deshalb bevorzugt.

Gemäß einem sechzehnten Gesichtspunkt der Erfindung weist der keramische Katalysator eine große Anzahl an Poren auf, die direkt den Katalysator auf der Oberfläche der Substratkeramik tragen können, so dass die Katalysatorkomponente direkt in den Poren geträgert vorliegen kann.

Gemäß einem siebzehnten Gesichtspunkt der Erfindung umfassen die vorstehend beschriebenen Poren wenigstens eine Sorte, die aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Fehlstellen in dem keramischen Kristallgitter, mikroskopischen Sprüngen in der keramischen Oberfläche und Lochfehlstellen des die Keramik aufbauenden Elements besteht.

Gemäß einem achtzehnten Gesichtspunkt der Erfindung besitzen die mikroskopischen Sprünge bevorzugt eine Breite von 100 nm oder kleiner, um die mechanische Festigkeit des Trägers sicherzustellen.

Gemäß einem neunzehnten Gesichtspunkt der Erfindung haben die Poren einen Durchmesser oder eine Breite von bevorzugt dem 1000-fachen Durchmesser des zu trägernden Katalysatorions oder geringer, um die Katalysatorkomponente tragen zu können. Zu diesem Zeitpunkt kann eine ähnliche Menge der Katalysatorkomponente zu der aus dem Stand der Technik geträgert werden, falls die Dichte der Poren bei 1 × 10¹¹ pro Liter oder höher liegt.

Gemäß einem zwanzigsten Gesichtspunkt der Erfindung wird eine Keramik als die Matrixkeramik eingesetzt, welche Cordierit als die Hauptkomponente enthält, und die Poren können Fehlstellen sein, die durch Substitution eines Teils der die Bestandteile bildenden Elemente des Cordierits mit einem Metallelement mit einem unterschiedlichen Valenzwert erzeugt werden. Cordierit weist eine hohe Beständigkeit gegenüber Thermoschocks auf und ist deshalb für den Katalysator zur Reinigung der Automobilabgase geeignet.

Gemäß einem einundzwanzigsten Gesichtspunkt der Erfindung sind die Poren wenigstens eine Sorte, die aus Sauerstofffehlstellen oder Gitterfehlstellen ausgewählt sind. Eine ähnliche Katalysatorkomponentenmenge zu der aus dem Stand der Technik kann geträgert sein, falls die Dichte des Cordieritkristalls, welcher wenigstens eine Fehlstelle in einer Kristallgittereinheit des Cordierits aufweist, auf 4 × 10^-6% oder höher eingestellt ist.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht, welche die gesamte Konstitution eines keramischen Katalysatorkörpers gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.

Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen dem Gasfluss und dem Reinigungsverhältnis.

Fig. 3 ist ein Diagramm, welches das Herstellungsverfahren für den keramischen Katalysatorkörper gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.

Fig. 4 zeigt die Beziehung zwischen dem Verhältnis der Katalysatormenge und der Reinigungsrate.

Die Fig. 5(a), 5(b) und 5(c) zeigen Beispiele der Anbindung eines Gaseinlasses an einen keramischen Träger, wobei Fig. 5(a) einen Fall zeigt, in dem der Gaseinlass und der keramische Träger in einer konzentrischen Anordnung angeordnet sind, Fig. 5(b) einen Fall zeigt, in dem der Gaseinlass und die Achse des keramischen Trägers voneinander abweichen bzw. beabstandet sind, und Fig. 5(c) einen Fall zeigt, in dem der Gaseinlass schrägwinklig angebunden ist.

Die Fig. 6(a) bis 6(e) zeigen Beispiele von Querschnittsformen bzw. Querschnittsgestalten der keramischen Träger, wobei Fig. 6(a) einen runden Querschnitt zeigt, Fig. 6(b) einen ovalen Querschnitt zeigt, Fig. 6(c) einen rennbahnförmigen Querschnitt zeigt, Fig. 6(d) einen dreieckigen Querschnitt zeigt und Fig. 6(e) einen irregulären Querschnitt zeigt.

Die Fig. 7(a), 7(b) und 7(c) zeigen Beispiele der Ausgestaltung der keramischen Trägerzelle, wobei Fig. 7(a) eine rechtwinklige Zelle zeigt, Fig. 7(b) ein hexagonale Zelle zeigt und Fig. 7(c) eine dreieckige Zelle zeigt.

Die Fig. 8(a) bis 8(h) sind perspektivische Ansichten, welche die gesamte Konstitution eines keramischen Katalysatorkörpers gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt, wobei die Fig. 8(a) bis 8(g) Zellmuster zeigen und Fig. 8(h) ein Verfahren zur Erzeugung einer Matrize zeigt.

Die Fig. 9 zeigt die gesamte Konstitution eines keramischen Katalysatorkörpers gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung, die Temperaturverteilung in dem keramischen Katalysatorkörper und die Katalysatorverteilung.

Fig. 10(a) ist ein Diagramm, welches das Herstellungsverfahren für den keramischen Katalysatorkörper gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt, und Fig. 10(b) zeigt eine weitere Konstitution des keramischen Katalysatorkörpers.

Fig. 11(a) zeigt ein Beispiel der Konstitution des keramischen Katalysatorkörpers gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung, und Fig. 11(b) zeigt die Beziehung zwischen der im stromaufwärtigen Bereich geträgerten Katalysatormenge und der Reinigungsrate.

Fig. 12(a) ist ein Diagramm, welches die gesamte Konstitution des keramischen Katalysatorkörpers gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung zeigt, und Fig. 12(b) zeigt eine weitere Konstitution des keramischen Katalysatorkörpers.

Fig. 13 zeigt die Beziehung zwischen der Katalysatoreinlasstemperatur und der Reinigungsrate für einen Katalysator mit einer hohen Wärmebeständigkeit und für einen Katalysator mit einer niedrigen Wärmebeständigkeit.

Fig. 14 zeigt schematisch die Konstitution des keramischen Katalysatorkörpers aus dem Stand der Technik mit kugelförmigen Katalysatorteilchen, die auf einem keramischen Träger geträgert vorliegen.

Die Fig. 15(a) und 15(b) sind Diagramme der Konstitution des erfindungsgemäßen keramischen Katalysatorkörpers mit auf einem keramischen Träger geträgerten Katalysatorteilchen mit einer Polyhedrongestalt bzw. Vielflächergestalt, wobei Fig. 15(a) Sechsflächerteilchen zeigt und Fig. 15(b) Vierflächerteilchen bzw. Teilchen mit einer tetrahedronalen Gestalt zeigt.

Fig. 16 zeigt die Konstitution des erfindungsgemäßen keramischen Katalysatorkörpers, mit Katalysatorteilchen mit einer Gestalt in Form eines abgeschnittenen Konus, die auf einem keramischen Träger geträgert vorliegen.

Die Fig. 17(a) und 17(b) sind Diagramme der Konstitution des erfindungsgemäßen keramischen Katalysatorkörpers mit Katalysatorteilchen, welche Oberflächenunebenheiten oder Erhebungen aufweisen, und die auf einem keramischen Träger geträgert vorliegen, wobei Fig. 17(a) Teilchen zeigt, welche Oberflächenunebenheiten aufweisen, und Fig. 17(b) Teilchen zeigt, welche Anhebungen bzw. vorstehende Bereiche aufweisen.

Fig. 18 zeigt die Konstitution des erfindungsgemäßen keramischen Katalysatorkörpers mit Katalysatorteilchen in einer nadelförmigen Gestalt, die auf einem keramischen Träger geträgert vorliegen.

Fig. 19 zeigt die Konstitution des erfindungsgemäßen keramischen Katalysatorkörpers mit Katalysatorteilchen mit einer Gestalt in Form von Flocken, die auf einem keramischen Träger geträgert vorliegen.

Die Fig. 20(a) und 20(b) sind Diagramme der Konstitution des erfindungsgemäßen keramischen Katalysatorkörpers mit hohlen Katalysatorteilchen, die auf einem keramischen Träger geträgert vorliegen, wobei Fig. 20(a) Teilchen mit einer röhrenförmigen Gestalt zeigt und Fig. 20(b) Teilchen zeigt, welche hohle Löcher aufweisen.

Fig. 21 zeigt die Konstitution des erfindungsgemäßen keramischen Katalysatorkörpers mit Katalysatorteilchen, welche in einer Ebene mit hoher katalytischer Aktivität orientiert vorliegen, und die auf einem keramischen Träger geträgert vorliegen.

Fig. 22 zeigt die Beziehung zwischen der Teilchengestalt und der 50%-Reinigungstemperatur.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Die erste Ausführungsform der Erfindung wird nun nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben. Ein erfindungsgemäßer keramischer Katalysatorkörper 1 wird in einem Motorabgasreinigungskatalysator oder dergleichen eingesetzt und weist einen keramischen Träger 2 auf, welcher direkt den Katalysator tragen kann. Der keramische Träger 2 ist als zylindrischer Monolith, mit einer großen Anzahl an Zellen 21, die parallel zueinander in der Richtung des Abgasstroms ausgebildet vorliegen, ausgebildet und weist die Katalysatorkomponente direkt auf dessen Oberfläche geträgert auf. Der keramische Träger 2 ist typischerweise aus einem keramischen Material hergestellt, das hauptsächlich aus Cordierit mit einer theoretischen Zusammensetzung von 2MgO.2Al₂O_3.5SiO₂ aufgebaut ist. Die Hautkomponente der Keramik kann selbstverständlicher Weise ebenso Aluminiumoxid, Spinell, Aluminiumtitanat, Siliciumcarbid, Mullit, Silciumoxid- Aluminiumoxid, Zeolith, Zirkoniumoxid, Siliciumnitrid, Zirkoniumphosphat oder dergleichen sein.

Der keramische Träger weist eine große Anzahl an Poren oder Elementen auf, welche die auf der Oberfläche des keramischen Substrats zur Verfügung gestellte Katalysatorkomponente direkt tragen können, so dass die Katalysatorkomponente direkt über die Poren oder die Elemente geträgert werden kann. Die Poren, welche die Katalysatorkomponente direkt tragen können, umfassen wenigstens eine Sorte, die aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Fehlstellen in dem keramischen Kristallgitter (Sauerstofffehlstelle oder Gitterfehlstelle), mikroskopischen Sprüngen in der keramischen Oberfläche und Fehlstellen in den die Keramik aufbauenden Elementen oder einer Kombination daraus besteht. Das Element, das die Katalysatorkomponente direkt tragen kann, ist ein Element, das durch Substitution eines oder mehrerer der Elemente, welche die Substratkeramik aufbauen, mit einem anderen Element als das aufbauende Element eingeführt worden ist. Durch die Bereitstellung der vorstehend beschriebenen Poren oder Elemente ist es möglich, die Katalysatorkomponente ohne Erzeugung einer Beschichtungsschicht, welche eine große spezifische Oberfläche wie etwa γ-Aluminiumoxid aufweist, zu trägern.

Diese Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des auf den keramischen Träger 2 geträgerten Katalysators im mittleren Bereich A des Trägers, in dem viel Gas durchfließt, größer gemacht wird und im peripheren Bereich B des Trägers, in dem wenig Gas durchfließt, kleiner gemacht wird. Im einzelnen wird das Gewicht des Katalysators pro Volumeneinheit im mittleren Bereich A des Trägers auf das 1,1- fache, bevorzugt das 2-fache oder größer, als das des peripheren Bereichs B eingestellt. Dies verbessert die Reinigungsleistung. Diese Konstitution wird nachstehend detaillierter beschrieben.

Für die Katalysatorkomponente werden bevorzugt Edelmetalle wie etwa Pt, Pd und Rh eingesetzt. Die Katalysatorkomponente kann durch Eintauchen des keramischen Trägers in eine Lösung einer Verbindung des Katalysatormetalls, das in einem Lösungsmittel gelöst vorliegt, geträgert werden. Während das Lösungsmittel für die Katalysatorkomponente Wasser sein kann, ist ein Lösungsmittel mit einer kleineren Oberflächenspannung, z. B. ein alkoholisches Lösungsmittel wie etwa Ethanol, in dem Fall bevorzugt, in dem der erfindungsgemäße keramische Träger 2 Poren aufweist, da die Fehlstellen oder Sprünge, welche die Poren aufbauen, eine mikroskopische Größe aufweisen. Während ein Lösungsmittel, welches eine große Oberflächenspannung aufweist, wie etwa Wasser, in die Poren schwer einzubringen ist, und die Poren nicht vollständig genutzt werden können, ermöglicht der Einsatz des Lösungsmittels mit einer kleineren Oberflächenspannung, welches in den mikroskopischen Poren eingebracht werden kann, eine Trägerung von 0,5 g/l oder mehr der Katalysatorkomponente durch eine vollständige Ausnutzung der Poren.

Der in die Katalysatorlösung eingetauchte keramische Träger wird dann getrocknet und bei einer Temperatur von 500 bis 900°C gesintert. Dadurch wird ein keramischer Katalysatorkörper mit der in den Poren geträgerten Katalysatorkomponente hergestellt, wobei die Poren in der Zellwandoberfläche des Trägers ausgebildet sind, welche mit dem Abgas in Kontakt steht. Bei den keramischen Katalysatoren gemäß dem Stand der Technik, welche eine γ-Aluminiumoxid- Beschichtungsschicht oder dergleichen verwenden, kann die Katalysatorkomponente in Bereichen vorhanden sein, die nicht durch das Abgas erreicht werden können. Im Falle der erfindungsgemäßen keramischen Katalysatoren ist im Gegensatz dazu die Katalysatorkomponente auf der Zellwandoberfläche konzentriert, welche eine hohe Wahrscheinlichkeit der Kontaktausbildung mit dem Abgas besitzt, und somit wird eine vollständige Ausnutzung der Poren ermöglicht. Da der Katalysator ebenso durch Verwendung der Lösung geträgert wird, kann der Katalysator in feinen Teilchen hergestellt werden. Da außerdem Gas leicht die Poren erreichen kann, in welche die Lösung eindringen kann, kann die Katalysatorkomponente effizient nur in Bereichen geträgert werden, welche mit dem Abgas in Kontakt kommen.

Nun wird nachstehend der keramische Träger 2 mit einer großen Anzahl von Poren beschrieben, welche die Katalysatorkomponente in der Oberfläche der Substratkeramik direkt tragen können. Da der Durchmesser der Ionen der zu trägernden Katalysatorkomponente typischerweise etwa 0,1 nm beträgt, können die Ionen der Katalysatorkomponente in den Poren geträgert werden, welche in der Oberfläche des Cordierits ausgebildet sind, unter der Voraussetzung, dass die Poren einen Durchmesser oder eine Breite von 0,1 nm oder größer besitzen. Um die mechanische Stabilität der Keramik sicherzustellen, liegt der Durchmesser oder die Breite der Poren bevorzugt so klein wie möglich und innerhalb dem tausendfachen (100 nm) des Durchmessers der Ionen der Katalysatorkomponente. Die Tiefe der Poren wird wegen der Rückhaltung der Ionen auf eine Hälfte (0,05 nm) des Durchmessers oder größer eingestellt. Um die Katalysatorkomponente in einer vergleichbaren Menge zu der aus dem Stand der Technik (1,5 g/l) mit den Poren mit den vorstehend beschriebenen Dimensionen zu trägern, liegt die Dichte der Poren bei 1 × 10¹¹ pro Liter oder höher, bevorzugt bei 1 × 10¹⁶ pro Liter oder höher und weiter bevorzugt bei 1 × 10¹⁷ pro Liter oder höher.

Die bevorzugte Dichte der Poren in dem vorstehend beschriebenen keramischen Träger kann mit einer Cordieritwabenstruktur erzielt werden, welche 4 × 10^-16% oder mehr und bevorzugt 4 × 10^-5% oder mehr Cordieritkristalle einschließt, welche wenigsten eine Sorte an Sauerstofffehlstellen oder Gitterfehlstellen in der Kristallgittereinheit aufweisen, oder welche wenigstens eine Sorte eine Sauerstofffehlstelle oder Gitterfehlstelle in der Kristallgittereinheit des Cordierits in einer Dichte von 4 × 10^-6 oder höher und bevorzugt 4 × 10^-7 oder höher aufweist. Details der Poren und des Verfahrens zu deren Herstellung werden nachstehend beschrieben.

Bei den in der keramischen Oberfläche erzeugten Poren werden die Fehlstellen in dem Kristallgitter in Sauerstofffehlstellen und Gitterfehlstellen eingeteilt (Metallgitterlücke und Gitterverzerrung). Eine Sauerstofffehlstelle wird durch das Fehlen von Sauerstoffatomen hervorgerufen, welche das Kristallgitter der Keramik aufbauen, und erlaubt es, die Katalysatorkomponente in der durch das fehlende Sauerstoffatom zurückbleibenden Gitterlücke zu trägern. Eine Gitterfehlstelle wird durch Einfangen von mehreren Sauerstoffatomen als notwendig zur Erzeugung des keramischen Kristallgitters hervorgerufen und erlaubt, die Katalysatorkomponente in den durch die Verzerrungen in dem Kristallgitter und den Metallgitterlücken erzeugten Poren zu trägern.

Sauerstofffehlstellen können in dem Kristallgitter auf die Art und Weise wie in der japanischen Patentanmeldung Nr. JP- 2000/104994 beschrieben ist, in einem Verfahren zur Erzeugung, Entfettung und Brennung eines Materials für Cordierit, welches eine Si-Quelle, eine Al-Quelle und eine Mg-Quelle enthält, durch entweder 1. Absenken des Drucks der Atmosphäre im Brennvorgang oder Herstellen in einer reduzierenden Atmosphäre; 2. Brennen in einer Atmosphäre mit einer niedrigen Sauerstoffkonzentration unter Verwendung einer Verbindung, welche keinen Sauerstoff enthält, für wenigstens einen Teil des Rohmaterials, um so einen Sauerstoffmangel in der Atmosphäre beim Brennvorgang oder in dem Startmaterial zu schaffen; oder 3. Substitution wenigstens eines der aufbauenden Elemente der Keramik außer für Sauerstoff mit einem Element mit einem geringeren Valenzwert als der des substituierten Elements. Im Falle von Cordierit gilt daher, da das aufbauende Element eine positive Valenz wie etwa Si(4+), Al(3+) und Mg(2+) besitzt, dass die Substitution dieser Elemente mit einem Element mit geringerem Valenzwert zu einem Mangel an positiver Ladung führt, wobei eine Übereinstimmung des Unterschieds des Valenzwerts des substituierenden Elements und der Substitutionsmenge besteht. Folglich wird O (2-) mit einer negativen Ladung freigesetzt, um so die elektrische Neutralität des Kristallgitters beizubehalten, wobei dadurch der Sauerstoffmangel erzeugt wird.

Gitterfehlstellen können durch 4. Substitution eines Teils der aufbauenden Elemente der Keramik mit Ausnahme von Sauerstoff mit einem Element mit einem Valenzwert höher als dem des substituierten Elements erzeugt werden. Falls wenigstens ein Teil des Si, Al und Mg, welches die aufbauenden Elemente des Cordierits sind, mit einem Element mit einem Valenzwert höher als dem des substituierten Elements substituiert wird, wird eine positive Ladung, welche den Unterschied aus dem Valenzwert des substituierten Elements und der Substitutionsmenge entspricht, ausgeglichen, so dass O (2-) mit einer negativen Ladung in der nötigen Menge genommen wird, um die elektrische Neutralität des Kristallgitters beizubehalten. Die Sauerstoffatome, welche zum Aufbauen von Hemmnissen für die Cordieritkristallgittereinheit bei der Erzeugung einer regulären Struktur genommen wurden, ergeben sich somit Gitterverzerrungen. Alternativ dazu wird ein Teil des Si, Al, und Mg freigesetzt, um die elektrische Neutralität des Kristallgitters aufrechtzuerhalten, und um dadurch Gitterlücken zu erzeugen. In diesem Fall wird das Brennen in einer Luftatmosphäre durchgeführt, um so eine hinreichende Menge an Sauerstoff zuzuführen. Da geglaubt wird, dass die Größe dieser Fehlstellen in der Größenordnung von mehreren Angströms oder kleiner liegt, werden sie für die spezifische Oberfläche, die durch gewöhnliche Verfahren wie etwa das Stickstoffmoleküle einsetzende BET-Verfahren gemessen wird, nicht mitgezählt.

Die Anzahl der Sauerstofffehlstellen und Gitterfehlstellen wird auf die Sauerstoffmenge, die in der Cordieritwabenstruktur eingeschlossen ist, bezogen und die erforderliche Menge an Katalysator kann durch Steuerung der Sauerstoffmenge auf unter 47 Gew.-% (Sauerstofffehlstelle) oder über 48 Gew.-% (Gitterfehlstelle) geträgert werden. Falls aufgrund der Erzeugung von Sauerstofffehlstellen die Sauerstoffmenge unter 47 Gew.-% abgesenkt wird, wird die Anzahl der Sauerstoffatome, die in der Cordieritkristallgittereinheit eingeschlossen sind, geringer als 17,2, und die Gitterkonstante für die b₀-Achse des Cordieritkristalls wird kleiner als 16,99. Falls aufgrund der Erzeugung von Gitterfehlstellen die Sauerstoffmenge auf über 48 Gew.-% angehoben wird, wird die Anzahl der Sauerstoffatome, die in der Cordieritkristallgittereinheit eingeschlossen sind, größer als 17,6 und die Gitterkonstante für die b₀-Achse des Cordieritkristalls wird größer oder kleiner als 16,99.

Bei den Poren, welche den Katalysatorträger tragen, werden mikroskopische Sprünge in der keramischen Oberfläche in einer großen Anzahl wenigstens in einer der amorphen Phase und der kristallinen Phase durch Anlegen eines Wärmeschocks oder von Schockwellen auf die Cordieritwabenstruktur erzeugt. Es ist erforderlich, dass die Sprünge eine kleine Breite, ungefähr 100 nm oder weniger und bevorzugt 10 nm oder kleiner aufweisen, um die mechanische Widerstandsfähigkeit des Trägers sicherzustellen.

Ein Wärmeschock kann durch Abschrecken der erwärmten Cordieritwabenstruktur ausgeübt werden. Die zeitliche Abstimmung des Ausübens des Wärmeschocks kann erfolgen, nachdem die Cordieritkristallphase oder die amorphe Phase in der Cordieritwabenstruktur ausgebildet wurden. Ein Wärmeschock kann entweder durch Erzeugen, Entfetten und Brennen eines Materials für Cordierit, welches eine Si-Quelle, eine Al-Quelle und eine Mg-Quelle enthält, in einem gewöhnlichen Verfahrensschritt ausgeübt werden, wobei die somit erzeugte Cordieritwabenstruktur wieder auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt wird und dann abgeschreckt wird, oder durch Abschrecken von einer vorbestimmten Temperatur während des Übergangs vom Brennen zum Kühlen. Sprünge aufgrund eines Wärmeschocks können mit einem Temperaturunterschied (Wärmeschocktemperaturunterschied) von ungefähr 80°C oder größer zwischen dem Zeitpunkt des Erwärmens und nach dem Abschrecken erzeugt werden, während die Sprunggröße ansteigt, falls der Wärmeschocktemperaturunterschied ansteigt. Der Wärmeschocktemperaturunterschied sollte innerhalb etwa 900°C gehalten werden, da zu große Sprünge das Einhalten der Gestalt der Wabenstruktur erschweren.

In der Cordieritwabenstruktur ist die amorphe Phase in Schichten rund um die Kristallphase vorhanden. Falls ein Wärmeschock durch Erwärmen und dann Abschrecken der Cordieritwabenstruktur ausgeübt wird, wird aufgrund des Vorhandenseins eines Unterschied der Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der amorphen Phase und der kristallinen Phase eine thermische Beanspruchung, beruhend auf dem Unterschied der Wärmeausdehnungskoeffizienten und des Wärmeschocktemperaturunterschieds rund um die Grenzfläche zwischen der amorphen Phase und der kristallinen Phase erzeugt. Falls die amorphe Phase oder die kristalline Phase nicht der thermischen Beanspruchung standhalten können, werden mikroskopische Sprünge erzeugt. Die Anzahl der erzeugten Sprünge kann durch die Menge der amorphen Phase gesteuert werden. Falls eine Spurenkomponente (Alkalimetall, Erdalkalimetall, usw.) des Rohmaterials, von dem angenommen wird, dass es zur Ausbildung der amorphen Phase beiträgt, in einer größeren Menge als normal hinzugegeben wird, erhöht sich die Anzahl der erzeugten Sprünge. Schockwellen von Ultraschall oder einer Schwingung können ebenso anstelle eines Wärmeschocks eingesetzt werden. Falls ein schwacher Bereich der Cordieritwabenstruktur dem Wärmeschock nicht standhalten kann, werden mikroskopische Sprünge erzeugt. Die Anzahl der erzeugten Sprünge kann durch die Energie der Schockwellen gesteuert werden.

Unter den Poren, welche den Katalysatorträgern können, werden Fehlstellen von Elementen, welche die Keramik aufbauen, durch Elution der aufbauenden Elemente des Cordierits oder mittels Fremdkörpern durch ein Flüssigphasenverfahren ausgebildet zum Beispiel werden die Fehlstellen erzeugt, falls in dem Cordieritkristall beinhaltete Metallelemente wie etwa Mg und Al, ein in der amorphen Phase beinhaltetes Alkalimetall, Erdalkalimetall oder die amorphe Phase selbst in Wasser mit einer hohen Temperatur und einem hohen Druck, einem überkritischen Fluid oder einer Lösung wie etwa einer Alkalilösung gelöst wird. Diese Fehlstellen der Elemente erzeugen Poren, welche den Katalysator tragen können. Die Fehlstellen können ebenso chemisch oder physikalisch mittels eines Gasphasenverfahrens erzeugt werden. Das chemische Verfahren schließt Trockenätzung mit ein und das physikalische Verfahren schließt eine Ätzung mittels Sputtern mit ein, worin die Anzahl der Poren durch die Dauer des Ätzens oder die zugeführte Energiemenge gesteuert werden kann.

Nun wird nachstehend ein Träger mit einer großen Anzahl an Elementen beschrieben, die direkt die Katalysatorkomponente tragen können, welche auf der Oberfläche der Substratkeramik mittels der Substitution von Elementen abgeschieden ist. In diesem Fall sind die aufbauenden Elemente der Keramik (z. B. Si, Al und Mg im Falle des Cordierits) durch ein Element substituiert, welches eine größere Bindungskraft mit dem geträgerten Katalysator als das substituierte Element aufweist und die Katalysatorkomponente mittels chemischer Bindung tragen kann. Im Einzelnen kann das substituierende Element unter solchen ausgewählt werden, welche von den aufbauenden Elementen unterschiedlich sind und eine d- oder f-Schale in der Elektronenhülle aufweisen, und bevorzugt eine leere Schale in der d- oder f-Schale besitzen oder zwei oder mehrere Oxidationszustände aufweisen. Ein Element mit einer leeren Schale in der d- oder f-Schale besitzt ein Energieniveau, das nahe bei dem des geträgerten Katalysators liegt, das bedeutet, dass eine höhere Tendenz zum Austausch von Elektronen und Bindungen mit dem Katalysatorkomponenten besteht. Ein Element, welches zwei oder mehrere Oxidationszustände aufweist, besitzt ebenso eine höhere Tendenz zum Austausch von Elektronen und sieht die gleichen Effekte vor.

Elemente mit einer leeren Schale in der d- oder f-Schale schließen W, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zr, Mo, Ru, Rh, Ce, Ir und Pt mit ein, von denen eines oder mehrere verwendet werden können. Unter diesen sind W, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Mo, Ru, Rh, Ce, Ir und Pt Elemente, welche zwei oder mehrere Oxidationszustände besitzen. Neben diesen schließen Elemente, welche zwei oder mehrere Oxidationszustände aufweisen, Cu, Ga, Ge, Se, Pd, Ag, Au, usw. mit ein.

Bei der Substitution des aufbauenden Elements der Keramik mit diesen substituierenden Elementen kann ein Verfahren verwendet werden, in welchem das substituierende Element zu dem keramischen Material hinzugegeben wird und die Mischung vermischt wird. Jedoch kann ebenso ein Verfahren verwendet werden, in welchem das Material, welche das zu substituierende aufbauende Element enthält, durch die Menge reduziert wird, die der Menge der Substitution entspricht, gefolgt von einer Vermischung, der Erzeugung und der Trocknung, bevor es in eine Lösung eingetaucht wird, welche das substituierende Element enthält. Das Material wird aus der Lösung herausgenommen, getrocknet und einer Entfettung und einem Brennen in einer Luftatmosphäre unterzogen. Dieses Verfahren zur Imprägnierung der Vorform wird bevorzugt verwendet, da das substituierende Element hinreichend auf der Oberfläche der Vorform abgeschieden werden kann, und als ein Ergebnis wird das Element auf der Oberfläche während des Brennens substituiert, und somit wird eine Erzeugung einer festen Lösung erleichtert.

Die Menge des substituierenden Elements wird innerhalb eines Bereichs von 0,01% bis 50% und bevorzugt in einem Bereich von 5 bis 20% des substituierten aufbauenden Elements bezüglich der Anzahl der Atome eingestellt. Falls das substituierende Element einen unterschiedlichen Valenzwert zu dem des aufbauenden Elements der Substratkeramik aufweist, kommt es, in Abhängigkeit der Valenzunterschiede gleichzeitig zur Ausbildung von Gitterfehlstellen oder Sauerstofffehlstellen, wie vorstehend beschrieben ist. Jedoch kann das Auftreten von Fehlstellen durch Verwendung einer Vielzahl von substituierender Elemente und durch Einstellen der Summe der Oxidationszahlen der substituierenden Elementen gleich der Summe der Oxidationszahlen der substituierten aufbauenden Elemente verhindert werden. Somit kann die Katalysatorkomponente nur durch Bindung mit dem substituierenden Elementen geträgert werden, während die Valenz insgesamt konstant gehalten wird.

Nun werden nachstehend Merkmale dieser Ausführungsform beschrieben. Erfindungsgemäß wird die Menge des Katalysators, der pro Volumeneinheit des keramischen Trägers 2 in dessen mittleren Bereich A, in dem viel Gas durchfließt, geträgert ist, auf das 1,1-fache und bevorzugt das 2-fache oder größer als die Menge des peripheren Bereichs B eingestellt. Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen dem Gasfluss und der Reinigungsrate im Falle des keramischen Katalysators 1, welcher den Katalysator über den gesamten keramischen Träger gleichförmig geträgert aufweist (für einen Motor mit einem Hubraum von 2000 ml). Es ist gezeigt, dass während des Leerlaufs, wenn der Gasfluss abnimmt (Fig. 2 oben), das durch einen Gaseinlass 31 mit einem Durchmesser d eines Abgasrohres 3, in welchem der keramische Katalysator 1 untergebracht ist, eingeführte Gas sich über das gesamte Abgasrohr 3 verteilt. Zu diesem Zeitpunkt fließt das Gas über die gesamte Oberfläche (Fläche mit einem Durchmesser D, D < d) des keramischen Katalysators 1, wobei ein Reinigungsverhältnis von 90% erzielt wird (10% verbleiben ungereinigt). Während eines Volllastbetriebs, wenn der Gasfluss ansteigt (Fig. 2 unten), wird das Gas, das durch den Gaseinlass 31 des Gehäuses 3, in welchem der keramische Katalysator 1 untergebracht ist, eingeführt wird, konzentriert und fließt durch den mittleren Bereich A des Trägers, wobei das Reinigungsverhältnis auf 80% abnimmt (20% verbleiben ungereinigt). Der mittlere Bereich A des Trägers ist etwas breiter als der Bereich des Durchmessers d, und kann als das 1,1-fache der Fläche S des Gaseinlasses 31, der auf den keramischen Träger projiziert wird, dargestellt werden. Die Projektionsfläche S kommt der Querschnittsfläche des Gaseinlasses 31 in diesem Falle gleich.

Der Anteil an verbleibenden nicht gereinigten Gas liegt bei 20%, falls das Gas konzentriert wird und durch den mittleren Bereich A des Trägers durchströmt (der 1,1-fache Bereich der Projektionsfläche S), und liegt bei 10%, falls das Gas in der gesamten Fläche, einschließlich des peripheren Bereichs B, gereinigt wird. Deshalb wird die Menge des Katalysators im mittleren Bereich A des Trägers, in dem viel Gas durchströmt, erhöht und im peripheren Bereich B, in dem wenig Gas durchströmt verringert. Der mittlere Bereich A des Trägers ist in einem 1,1-fachen bis 2-fachen Bereich der Projektionsfläche S rund um den Mittelpunkt der Projektion des Gaseinlasses 31 auf dem keramischen Träger eingestellt. Der mittlere Bereich A des Trägers weist den vorstehenden Bereich auf, da die Region, in welcher der Gasfluss konzentriert ist, über eine Zone streut, die zweimal so groß wie die Projektionsfläche S ist, wobei 90% oder mehr des Gases in dieser Zone gereinigt werden, falls der Motor mit einer niedrigen oder mit einer mittleren Geschwindigkeit, mit Ausnahme von Lehrlauf oder Volllastbetrieb, läuft.

Die Menge des Katalysators im mittleren Bereich A des Trägers kann größer als im peripheren Bereich B durch Durchführen des Verfahrens der Trägerung der Katalysatorkomponente in zwei Schritten gemacht werden. Ein Beispiel des Verfahrens der Trägerung des Katalysators wird nachstehend für einen keramischen Träger 2 (∅86 × L120), der in Fig. 3 gezeigt ist, beschrieben. Als erstes werden in Verfahrenschritt (1) die obere und die untere Seite des peripheren Bereichs B des Trägers durch Abdeckelemente 41 bedeckt, und eine Lösung, welche die Katalysatorkomponente enthält, fließt durch den mittleren Bereich A des Trägers (Bereich vom Durchmesser d) hindurch, so dass 50% bis 80% der Gesamtmenge des Katalysators darin abgeschieden wird. Im einzelnen wird ein mikrokristallines saures Wachs als das Abdeckelement 41 eingesetzt, und Ethanol, das 0,09 Mol pro Liter Pt und 0,06 Mol pro Liter Rh enthält, wird als die Katalysatorlösung verwendet. Der Träger wird in diese Lösung für 10 Minuten bei Raumtemperatur eingetaucht. Dann wird der aus der Lösung herausgenommene Träger mit Luft abgeblasen, um die überschüssige Lösung von den Zellen zu entfernen, und bei 90°C für zwei Stunden getrocknet, um dadurch den Katalysator im mittleren Bereich A des Trägers zu trägern.

Dann werden im Verfahrenschritt (2) die Abdeckelemente 41 von dem peripheren Bereich B entfernt und der mittlere Bereich A des Trägers wird mit einem Abdeckelement 42 bedeckt. Die Katalysatorlösung fließt durch den peripheren Bereich B des Trägers hindurch, um den Rest des Katalysators darin zu trägern. Im einzelnen wird ein mikrokristallines Wachs als das Abdeckelement 42 eingesetzt, und Ethanol, das 0,045 Mol pro Liter Pt und 0,03 Mol pro Liter Rh enthält, wird als die Katalysatorlösung eingesetzt. Der Träger wird in diese Lösung für 10 Minuten bei Raumtemperatur eingetaucht. Dann wird der aus der Lösung herausgenommene Träger mit Luft abgeblasen, um die überschüssige Lösung von den Zellen zu entfernen, und bei 90°C für zwei Stunden getrocknet, um dadurch den Katalysator im peripheren Bereich B des Trägers zu trägern. In jedem Verfahrensschritt wird der Katalysator durch Eintauchen des Trägers in die Katalysatorlösung für 10 Minuten bei Raumtemperatur, durch Aufblasen von Luft auf den aus der Lösung herausgenommenen Träger zur Entfernung der überschüssigen Lösung von den Zellen und durch Trocknen bei 90°C für zwei Stunden geträgert.

Dann wird der Katalysator bei einer Temperatur von 500 bis 800°C zur Herstellung des keramischen Katalysatorkörpers 1 gesintert. Der keramische Katalysator 1 weist den Katalysator mit einer Dichte von 3,0 g/l im mittleren Bereich A auf, welche zweimal höher als 1,5 g/l im peripheren Bereich B ist. Durch Änderung der Konzentration der Katalysatorlösung, welche den mittleren Bereich A durchdrängt, wurden verschiedene Stücke des keramischen Katalysatorkörpers 1 durch ein ähnliches Verfahren hergestellt, wobei die Dichten des Katalysators im mittleren Bereich A bei 1,5 g/l, 2,25 g/l, 3,75 g/l und 4,5 g/l lagen, und die Dichte im peripheren Bereich B auf 1,5 g/l festgehalten wurde, und die Reinigungsleistung einer jeden Testprobe wurde untersucht. Fig. 4 zeigt das Reinigungsverhältnis als eine Funktion des Verhältnisses der Katalysatormengen A/B zwischen dem mittleren Bereich A und dem peripheren Bereich B. Die Region mit einem Durchmesser d (∅50) wurde als der mittlere Bereich A genommen und das Reinigungsverhältnis wurde unter Bedingungen eines Motorhubraums von 2000 ml und einer Gasflussrate von 4000 Litern pro Minute gemessen.

Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist liegt das Reinigungsverhältnis bei 80%, falls das Verhältnis der Katalysatormengen A/B bei 1 : 1 liegt, während das Reinigungsverhältnis ansteigt, wenn die Menge des Katalysators im mittleren Bereich A ansteigt. Da folglich der Effekt des Anstiegs der Menge an Katalysator erzielt werden kann, falls der Wert von A/B bei 1,1 oder größer liegt, kann das Verhältnis der Katalysatormengen A/B gemäß der angestrebten Leistung und der Kosten bestimmt werden. Falls A/B gleich 2 ist, wird ein Reinigungsverhältnis von 90% erzielt. Somit kann der Anteil an zurückbleibendem nicht gereinigtem Gas auf 10% oder weniger durch Einstellen des Verhältnisses A/B auf 2 oder höher gedrosselt werden.

Wie in den Fig. 5(a) bis 5(c) gezeigt ist, ist der Mittelpunkt des mittleren Bereichs A des Trägers so eingestellt, dass er im Wesentlichen mit dem Mittelpunkt des Gaseinlasses 31 (Mittelpunkt der Projektion) zusammenfällt, selbst falls die Position der Anbindung des Abgasrohres 3 an den keramischen Katalysatorkörper 1 variiert. Das heißt, falls der Gaseinlass 31 des Abgasrohres 3 und der keramische Katalysatorkörper 1 konzentrisch wie in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform angeordnet sind, fällt der Mittelpunkt des mittleren Bereichs A des Trägers mit dem Mittelpunkt des Gaseinlasses 31 und ebenso mit dem Mittelpunkt des keramischen Katalysatorkörpers 1 wie in Fig. 5(a) gezeigt ist zusammen. Falls die Achse des Abgasrohres 3 und die Achse des keramischen Katalysatorkörpers 1 mit Versatz voneinander angeordnet sind, wie auch in Fig. 5(b) gezeigt ist, wird der Mittelpunkt des mittleren Bereichs A des Trägers so gesetzt, dass er mit dem Mittelpunkt des Gaseinlasses 31 zusammenfällt. In diesem Fall sind jedoch der Mittelpunkt des mittleren Bereichs A des Trägers und der Mittelpunkt des keramischen Katalysatorkörpers 1 nicht konzentrisch angeordnet.

Falls der Gaseinlass 31 des Abgasrohres 3 zu dem keramischen Träger 2 in einer winkligen Richtung an den keramischen Katalysatorkörper 1 angebunden ist, wie in Fig. 5(c) gezeigt ist, wird eine Anordnung verwendet, in welcher der Mittelpunkt des mittleren Bereichs A des Trägers in Verlängerung des Mittelpunkts des Gaseinlasses 31 (Mittelpunkt der Projektion) angeordnet ist. Die Fläche S' des Gaseinlasses 31, die auf den keramischen Träger 2 projiziert wird, wird folgendermaßen von der Querschnittsfläche S des Gaseinlasses 31 berechnet.

Projektionsfläche S' = Querschnittsfläche S × (1/cosθ).

Wie in den Fig. 6(a) bis 6(e) gezeigt ist kann die Querschnittsform des keramischen Trägers 2 neben den in Fig. 6(a) gezeigten kreisförmigen Querschnitt eine in Fig. 6(b) gezeigten ovalen Querschnitt, einen in Fig. 6(c) gezeigten Querschnitt in Form einer Laufbahn, einen in Fig. 6(d) gezeigten dreieckigen Querschnitt oder einen in Fig. 6(e) gezeigten modifizierten Querschnitt darstellen. Die Zelle 21 kann ebenso irgendeine andere Gestalt als die in Fig. 7(a) gezeigte rechtwinklige Gestalt aufweisen, wie etwa die in Fig. 7(b) gezeigte hexagonale Gestalt oder die in Fig. 7(c) gezeigte dreieckige Gestalt. Auch im Falle einer solchen unterschiedlichen Gestalt kann die mittlere Position und die Region des mittleren Bereichs A des Trägers ähnlich zu dem vorstehend beschriebenen bestimmt werden.

Die zweite Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 8(a) gezeigt. In dieser Ausführungsform wird die Oberfläche pro Flächeneinheit im mittleren Bereich A des Trägers, in dem die Gasgeschwindigkeit höher als im peripheren Bereich B ist, größer gemacht, anstelle dass die Menge des Katalysators im mittleren Bereich A des Trägers größer als im peripheren Bereich B gemacht wird. Im einzelnen wird die Oberfläche pro Flächeneinheit im mittleren Bereich A des Trägers 1, 1 mal und bevorzugt 2 mal größer als im peripheren Bereich B eingestellt.

Zum Beispiel wird die Dichte der Zellen (Anzahl der Zellen pro Flächeneinheit) im mittleren Bereich A des Trägers (hohe Meshzahl) höher und im peripheren Bereich B (niedrige Meshzahl) niedriger gemacht, wie in Fig. 8(b) gezeigt ist. Alternativ dazu kann ebenso eine Anordnung wie sie in den Fig. 8(c) bis (g) gezeigt ist, verwendet werden, in welcher die Zellen im mittleren Bereich A des Trägers in einer polygonalen oder kreisförmigen Gestalt ausgebildet sind, welche eine größere Oberfläche aufweist, und die Zellen im peripheren Bereich in einer dreieckigen oder rechtwinkligen Gestalt ausgebildet sind, welche eine kleinere Oberfläche aufweist.

Fig. 8(a) zeigt ein Beispiel des Aufbaus, in dem der mittlere Bereich A des Trägers folgendermaßen ausgebildet ist:
Zelle: rechtwinklig, mit einer Wandstärke von 0,065 mm
Mesh: 1500 Zellen pro inch² mit einem Durchmesser von 50
Volumen: 236 ml, mit einer Katalysatordichte von 1,5 g/l

Der periphere Bereich B des Trägers ist folgendermaßen ausgebildet:
Zelle: rechtwinklig, mit einer Wandstärke von 0,115 mm
Mesh: 400 Zellen pro inch²
Volumen: 461 ml, mit einer Katalysatordichte von 1,5 g/l

Somit werden die Zellendichte und die Oberfläche im mittleren Bereich A des Trägers größer eingestellt.

Ein ähnlicher Effekt kann ebenso durch Erstellen der Oberfläche pro Flächeneinheit im mittleren Bereich A des Trägers, in dem die Gasgeschwindigkeit höher als im peripheren Bereich B ist, wie vorstehend beschrieben ist, erzielt wird. Während die gleiche Menge an Katalysator im mittleren Bereich A des Trägers und dem peripheren Bereich B in dem vorstehend beschriebenen Beispiel vorliegt, kann die Menge des Katalysators ebenso im mittleren Bereich A wie im Falle der ersten Ausführungsform größer gemacht werden. Zur Erzeugung der Zellen in den Gestalten wie in den Fig. 8(c) bis 8(g) wird in einer Matrize mittels einer elektrischen Funkenbearbeitung unter Anwendung einer Elektrode, welche in einem gewünschten Zellmuster bearbeitet worden ist, wie in Fig. 8(h) gezeigt ist, ein Schlitz bzw. eine Öffnung ausgebildet, um dadurch die Zellen unter Verwendung der Matrize zu erzeugen.

Die dritte Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 9 gezeigt. In dieser Ausführungsform sind 50 Gew.-% oder bevorzugt 80 Gew.-% oder mehr des gesamten Katalysators in einer Region vom stromaufwärtigen Ende des Trägers bis zu einem Viertel bis einem Drittel (25% bis 33,3%), der gesamten Länge des keramischen Trägers 2 konzentriert (Fig. 9 unten). Da der keramische Katalysatorkörper 1, welcher direkt den Katalysator trägt, eine kleinere Wärmekapazität als der Drei-Wege- Katalysator aus dem Stand der Technik aufweist, welcher mit γ- Aluminiumoxid beschichtet ist, startet die Reaktion früher und die Temperatur steigt schneller an, wie in dem obersten Graphen von Fig. 9 gezeigt ist. Das Diagramm in der Mitte von Fig. 9 zeigt ein Beispiel des keramischen Trägers 2, in dem 50% des gesamten Katalysators in einer Region geträgert sind, die vom stromaufwärtigen Ende des Trägers zu einem Punkt bei einem Viertel der gesamten Länge liegt. Die Katalysatorreaktion beginnt stromaufwärtig des Trägers, während die durch die Katalysatorreaktion stromaufwärtig erzeugte Wärme durch den Gasfluss zur stromabwärtigen Seite übertragen wird, und deshalb das Abgas hinreichend gereinigt werden kann, selbst falls die Menge des Katalysators auf der stromabwärtigen Seite des Trägers verringert ist.

Ein Verfahren zur Herstellung des keramischen Katalysatorkörpers 1 mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 10(a) und 10(b) beschrieben. Als erstes wird ein Bereich des Trägers zu einem Viertel bis einem Drittel der Gesamtlänge in einer hochkonzentrierten Lösung des Katalysators eingetaucht, um dadurch 50 Gew.-% oder bevorzugt 80 Gew.-% oder mehr des gesamten Katalysators darin zu trägern, wie in Fig. 10(a) gezeigt ist. Die Verfahrensschritte des Herstellens der Katalysatorlösung und der Trocknung nach Eintauchen werden ähnlich zu dem der ersten Ausführungsform durchgeführt. Dann wird der Träger umgedreht und ein Bereich des Trägers von 3/4 bis 2/3 der gesamten Länge wird in einer niedrig konzentrierten Lösung des Katalysators eingetaucht, um dadurch den Rest des gesamten Katalysators darin abzuscheiden. Alternativ dazu kann der Träger in eine Vielzahl von Teilen unterteilt werden, wobei jeder eine unterschiedliche Menge an Katalysator trägt, welche so angeordnet sind, dass ein Teil einer kürzeren Länge, die eine größere Menge an Katalysator trägt, in der stromaufwärtigen Seite angeordnet ist, wie in Fig. 10(b) gezeigt ist. Da in dem erfindungsgemäßen keramischen Katalysator wenig Druckverlust auftritt, kann die Vielzahl der Katalysatorbereiche in Serie angeordnet werden.

Fig. 11(b) ist ein Graph, der die Reinigungsleistung von Testproben des in Fig. 11(a) gezeigten keramischen Trägers (∅83 × L120), welche jeweils 30, 50, 80, 90 und 100% der gesamten Katalysatormenge in dem stromaufwärtigen Bereich (L36, 30% der gesamten Länge) und den Rest des Katalysators im stromabwärtigen Teil tragen, vergleicht. Das Reinigungsverhältnis wurde unter den Bedingungen eines Motorhubraumes von 2000 ml und einer Gasflussrate von 4000 l/min. Der Anteil des Gases, das ungereinigt zurückbleibt, kann auf 10% oder weniger gesenkt werden, falls 50% der gesamten Menge des Katalysators in dem stromaufwärtigen Bereich des Trägers geträgert vorliegt, und der maximale Effekt kann durch Einstellen des Anteils auf 80 oder 90% erzielt werden. Der Anteil sollte nicht höher als 95% sein, da das Reinigungsverhältnis aufgrund einer geringeren Reaktion in der stromabwärtigen Seite sinkt, falls der Anteil 95% überschreitet.

Fig. 12(a) zeigt die vierte Ausführungsform der Erfindung. In dem keramischen Katalysatorkörper 1 dieser Ausführungsform liegen mehrere Katalysatorarten auf dem keramischen Träger 2 geträgert vor, wobei ein Katalysator mit einer höheren Wärmebeständigkeit in dem stromaufwärtigen Bereich des Gasflusses geträgert vorliegt und ein Katalysator mit einer geringeren Wärmebeständigkeit in dem stromabwärtigen Bereich geträgert vorliegt. In einem Aufbau, in welchem der Katalysator direkt auf dem keramischen Träger 2 ohne eine γ- Aluminiumoxidbeschichtung dazwischen wie in der vorliegenden Erfindung geträgert vorliegt, kann der kürzere Abstand zwischen den Katalysatorteilchen zu einer Verschlechterung des Katalysators aufgrund der Erwärmung führen, wie etwa einem Sinterphänomen, in welchem die Katalysatorteilchen miteinander sich verbinden und verursachen, dass der Katalysator verdampft. Um ein solches Problem zu vermeiden, wird falls Pt, Pd, Rh oder dergleichen als der Katalysator in diese Ausführungsform eingesetzt wird, z. B. Rh, welches eine höhere Wärmebeständigkeit aufweist, in dem stromaufwärtigen Bereich geträgert und Pt (oder Pd) in dem stromabwärtigen Bereich geträgert, in Übereinstimmung mit dem Schmelzpunkt und der Sintertemperatur der Katalysatorelemente, die in Tabelle 1 gezeigt sind, anstelle des gleichförmigen Trägers der Katalysatorelemente über den keramischen Träger 2. Das Verfahren der Abscheidung der unterschiedlichen Katalysatorelemente in einer getrennten Weise in den stromaufwärtigen und stromabwärtigen Bereichen kann ähnlich zu der vierten Ausführungsform durchgeführt werden. Eine serielle Anordnung wie in Fig. 12(b) gezeigt ist kann ebenso verwendet werden, in der der Träger in Teile unterteilt ist, wobei jeder Teil den Katalysator trägt.

Das Verfahren zur Auswertung und Bestimmung der Wärmebeständigkeit des Katalysators wird nun nachstehend beschrieben. Als erstes wird ein auszuwertender Katalysator auf dem erfindungsgemäßen keramischen Träger 2 abgeschieden und einer Alterung bei 1000°C über 24 Stunden ausgesetzt. Dann wird die Reinigungsleistung des Katalysators durch das gleiche Verfahren wie vorstehend beschrieben gemessen. Unter Bezugnahme auf Fig. 13, welche die Beziehung zwischen der Katalysatoreinlasstemperatur und dem Reinigungsverhältnis zeigt, wird ein Katalysator, welcher eine Einlasstemperatur für ein 50%iges Reinigungsverhältnis (T50) von 300°C oder weniger zeigt, als einer mit einer hohen Wärmebeständigkeit angesehen und einer, der eine Einlasstemperatur von 350°C oder geringer zeigt, als einer mit einer niedrigen Wärmebeständigkeit angesehen.

Zur Verbesserung der katalytischen Leistung des keramischen Katalysatorkörpers können Katalysatorteilchen in einer Gestalt ausgebildet sein, die eine größere Oberfläche als eine Kugel oder eine Halbkugel der gleichen Masse aufweist. Unter der Voraussetzung, dass die Katalysatorteilchen alle das gleiche Gewicht bzw. die gleiche Masse besitzen, ist die Oberfläche minimal, falls das Katalysatorteilchen eine kugelförmige (halbkugelförmige) Gestalt aufweist, wie in Fig. 14 gezeigt ist. Somit wird die Oberfläche für eine höhere katalytische Leistung durch Erstellen der Katalysatorteilchen in einer anderen Gestalt als einer kugelförmigen bzw. spherischen (oder halbkugelförmigen) Gestalt gesteigert werden.

Im Einzelnen kann die Gestalt der Katalysatorteilchen wenigstens eine Gestalt sein, ausgewählt aus einem Polyhedron bzw. Vielflächer, einer konischen Gestalt oder einem Konus, von dem ein Teil fehlt, eine im Wesentlichen kugelförmige Gestalt mit einer unebenen Oberfläche oder mit einer Oberfläche mit Erhebungen, Nadeln, Flocken und hohlen Teilchen. Die Fig. 15 bis 20 zeigen Beispiele von solchen Gestalten. Die Fig. 15(a) und 15(b) zeigen Teilchen mit einer polyhedronalen Gestalt, insbesondere Sechsflächler und Vierflächler. Fig. 16 zeigt eine abgeschnittene konische Gestalt. Die Fig. 17(a) und 17(b) zeigen Teilchen, welche Oberflächenunebenheiten oder Erhebungen aufweisen, die auf einer kugelförmigen oder halbkugelförmigen Oberfläche vorgesehen sind. Die in Fig. 18 gezeigte nadelartige Gestalt oder die in Fig. 19 gezeigte flockenartige Gestalt können ebenso eingesetzt werden. Die Fig. 20(a) und 20(b) zeigen hohle Katalysatorteilchen, wobei Fig. 20(a) Teilchen mit einer röhrenförmigen Gestalt zeigt und die Fig. 20(b) Teilchen mit einem hohlen Loch zeigt, wobei beide eine große Oberfläche aufgrund der inneren Oberfläche der hohlen Gestalt vorsehen.

Die Abgasreinigungsleistung hängt von der Oberfläche des Katalysators ab, und je größer die Oberfläche ist, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit des Kontakts mit dem Abgas, woraus eine höhere Leistung resultiert. Deshalb kann die katalytische Leistung durch Verwendung von Katalysatorteilchen einer anderen Gestalt als einer kugelförmigen Gestalt verbessert werden, ohne die Menge des geträgerten Katalysators zu erhöhen.

Die Gestalt der Katalysatorteilchen kann durch eine Änderung der Bedingungen des Verfahrens der Abscheidung der Katalysatorkomponente oder durch Anwendung eines Nachbearbeitungsverfahrens nach Abscheidung des Katalysators gesteuert werden. Bedingungen des Verfahrens zur Abscheidung der Katalysatorkomponente hängen von dem Precursor der Katalysatorkomponente, dem Lösungsmittel, in welchem die Katalysatorkomponente gelöst vorliegt, und der Sinteratmosphäre ab, welche geändert werden können, um Teilchen mit einer teilchenförmigen Gestalt zu erhalten. Alternativ dazu kann ein Nachverarbeitungsschritt wie etwa eine Beizbehandlung bzw. ein Ätzen oder ein Trockenätzen nach Abscheidung des Katalysators und nach dem Sintern angewendet werden.

Die in Fig. 14 gezeigten kugelförmigen Teilchen werden durch Eintauchen des keramischen Trägers in eine ethanolische Lösung, die 0,07 Mol pro Liter Ammoniumchloroplatinat und 0,05 Mol pro Liter Rhodiumchlorid enthält, und nach dem Trocknen durch Sintern des Katalysators bei 800°C für zwei Stunden in einer Luftatmosphäre erhalten. Um Teilchen mit einer sechsflächigen Gestalt, wie in Fig. 15(a) gezeigt, zu erhalten, werden der Precursor des Katalysators und das Lösungsmittel geändert, um eine 3N-HCl-Lösung, die 0,07 Mol pro Liter Ammoniumtetrachloroplatinat und 0,01 Mol pro Liter Rhodiumacetatdimer enthält, einzusetzen. Die Teilchen mit einer sechsflächigen Gestalt werden durch Eintauchen des keramischen Trägers in diese Lösung und nach Trocknung durch Sintern des Katalysators bei 800°C für 2 Stunden in Luftatmosphäre erhalten.

Die in Fig. 17(a) gezeigten Teilchen mit irregulärer Oberfläche werden durch Eintauchen des keramischen Trägers in eine ethanolische Lösung, die 0,07 Mol pro Liter Ammoniumchloroplatinat und 0,05 Mol pro Liter Rhodiumchlorid enthält, ähnlich zu den kugelförmigen Teilchen und nach dem Trocknen und Sintern des Katalysators bei 800°C für 2 Stunden in Luftatmosphäre, und dann durch Anwenden eines Nachverfahrensschrittes des Eintauchens in einen Königswasser (20°C) für 10 Minuten erhalten, was zu Teilchen mit einer irregulären Oberfläche führt.

Zur Verbesserung der katalytischen Leistung des keramischen Katalysators ist es ebenso vorteilhaft, die Kristallebene des Katalysators in einer Ebene einer maximalen katalytischen Aktivität auszurichten. Selbst falls die Katalysatorteilchen die gleiche Gestalt und die gleiche Oberfläche aufweisen, wird die Katalysatorreaktion beschleunigt und die Reinigungsleistung verbessert, falls die Kristallebene des Katalysators in einer Ebene der maximalen katalytischen Aktivität orientiert ist. Fig. 21 zeigt einen Fall, in dem Pt als die Katalysatorkomponente eingesetzt wird und die Kristallebene des Katalysators in der Pt(100)-Ebene mit maximaler Aktivität für die direkte Zersetzung von NO orientiert vorliegt, wobei die Katalysatorteilchen eine sechsflächige Gestalt aufweisen. Die katalytische Aktivität kann für eine höhere katalytische Leistung wie vorstehend beschrieben verbessert werden.

Die Orientierung der Katalysatorteilchen kann durch Einstellen der Bedingungen des Verfahrens zur Abscheidung der Katalysatorkomponente gesteuert werden. Die Bedingungen schließen den Precursor der Katalysatorkomponente, das Lösungsmittel, in welchem die Katalysatorkomponente gelöst vorliegt und die Atmosphäre während des Sintervorgangs mit ein, welche zum Erhalten der Teilchen, die in einer besonderen Ebene orientiert vorliegen, geändert werden können. Die Katalysatorteilchen, die in der Pt(100)-Ebene, wie in Fig. 21 gezeigt ist, orientiert sind, können durch Eintauchen des keramischen Trägers in eine ethanolische Lösung, die 0,07 Mol pro Liter Ammoniumchloroplatinat und 0,05 Mol pro Liter Rhodiumchlorid enthält, und nach dem Trocknen durch Sintern des Katalysators bei 800°C für 2 Stunden in einer Wasserstoffatmosphäre erhalten werden.

Fig. 22 vergleicht die Reinigungsleistung der Katalysatoren mit verschiedenen Partikelgestalten, die auf einem keramischen Träger mit einer großen Anzahl an Poren, die in dessen Oberfläche ausgebildet sind, geträgert vorliegt. Pt and Rh wurden als der Katalysator eingesetzt, und verschiedene Teilchengestalten wurden durch Einstellen der Bedingungen des Verfahrens zur Abscheidung der Katalysatorkomponente erhalten. Die Dichte des geträgerten Katalysators wurde in allen Fällen auf 1,5 g/l eingestellt. Der keramische Träger wurde durch Substituieren von 10 Gew.-% der Al-Quelle der Cordieritmaterialien wie etwa Talk, Kaolin und Aluminiumoxid mit einer W-Verbindung, die eine unterschiedliche Valenz aufweist, durch Vermischen eines Bindemittels und dergleichen mit diesem Material, durch Erzeugen der Mischung in einer Wabenstruktur, durch Trocknen der Vorform bei 90°C für 6 Stunden und durch Sintern bei 1300°C für 2,5 Stunden hergestellt, um dadurch Fehlstellen zu erzeugen, welche Poren werden.

Die 50%-Reinigungstemperatur der Ordinate in Fig. 22 kann als ein Index zur Auswertung der Reinigungsleistung verwendet werden, und wurde folgendermaßen bestimmt. Ein Modellgas, das HC (Kohlenwasserstoff) enthält, wurde in die Proben (Maß: ∅15 × L 10 mm) des keramischen Katalysators eingeführt, der für die Reinigungsleistung ausgewertet werden soll. Während die Probetemperatur graduell angehoben wurde, wurde die Temperatur bestimmt, bei welcher das HC-Reinigungsverhältnis, berechnet durch die folgende Formel, 50% wurde und wurde als die 50%- Reinigungstemperatur genommen.

HC-Reinigungsverhältnis = [Eingangs-HC-Konzentration - Ausgangs-HC-Konzentration]/[Eingangs-HC-Konzentration] × 100.

Wie in Fig. 22 gezeigt ist, zeigten alle Gestalten, ein Sechsflächler, eine Gestalt mit Oberflächenunebenheiten, eine Gestalt mit Erhebungen, eine nadelartige und eine röhrenförmige Gestalt, eine niedrigere 50%-Reinigungstemperatur als der keramische Katalysatorkörper der kugelförmigen Teilchen, wodurch somit eine verbesserte Reinigungsleistung erzielt wurde. Wie vorstehend beschrieben, kann eine höhere katalytische Leistung erzielt werden, selbst falls die gleiche Menge an Katalysator geträgert vorliegt, wenn die Teilchengestalt so verändert wird, dass die Oberfläche erhöht wird.

Die vorliegende Erfindung verbessert einen keramischen Träger, der direkt eine Katalysatorkomponente tragen kann, und stellt einen keramischen Träger und einen keramischen Katalysatorkörper bereit, welcher eine hohe katalytische Leistung und einen praktischen Wert aufweist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird in dem keramischen Katalysatorkörper 1, der eine auf dem keramischen Träger 2 mit einer monolithischen Form und mit einer großen Anzahl an Poren oder Elementen, die den Katalysator auf der Oberfläche des Cordierits direkt tragen können, geträgerte Katalysatorkomponente aufweist, die Katalysatormenge pro Volumeneinheit im mittleren Bereich A des Trägers, in dem viel Gas durchfließt, auf das 1,1-fache und bevorzugt das 2-fache oder größer als im peripheren Bereich B eingestellt. Dadurch, dass im mittleren Bereich des Trägers, in dem viel Gas durchfließt, mehr Katalysator vorhanden ist, ist die Reinigungsleistung verbessert.

Claims

1. Keramischer Katalysatorkörper, umfassend einen keramischen Träger, der einen Katalysator direkt auf der Oberfläche einer Substratkeramik tragen kann, und eine auf dem keramischen Träger geträgerte Katalysatorkomponente, wobei die Katalysatormenge, die auf einer Volumeneinheit des Trägers im mittleren Bereich, in dem der Gasstrom maximal ist, geträgert ist, auf das 1,1-fache oder höher als die in der Peripherie eingestellt ist.

2. Keramischer Katalysatorkörper, umfassend einen keramischen Träger, der einen Katalysator direkt auf der Oberfläche einer Substratkeramik tragen kann, wobei die Oberfläche pro Volumeneinheit des Trägers in dessen mittlerem Bereich, in dem die Gasstromgeschwindigkeit am höchsten ist, auf das 1,1-fache oder höher von der der Peripherie eingestellt ist.

3. Der keramische Katalysatorkörper gemäß Anspruch 2, wobei der Träger in einer monolithischen Form erzeugt ist, während der mittlere Bereich des Trägers in einer Weise ausgebildet ist, dass er eine hohe Zellendichte aufweist, oder in einer polygonalen oder runden Zellenform ausgebildet ist, und wobei der Peripheriebereich des Trägers derart ausgestaltet ist, dass er eine niedrige Zellendichte aufweist, oder dass er in rechtwinkliger, hexagonaler oder dreieckiger Zellenform vorliegt.

4. Der keramische Katalysatorkörper gemäß Anspruch 1, wobei die Projektionsfläche eines Gaseinlasses auf dem keramischen Träger mit S bezeichnet wird, und wobei der mittlere Bereich des Trägers als eine Region identifiziert ist, welche eine Querschnittsfläche in einem Bereich des 1,1- bis 2-fachen der Projektionsfläche S aufweist.

5. Keramischer Katalysatorkörper, umfassend einen keramischen Träger, der einen Katalysator direkt auf der Oberfläche einer Substratkeramik tragen kann, und eine auf dem keramischen Träger geträgerte Katalysatorkomponente, wobei 50 Gew.-% oder mehr des gesamten Katalysators in einem Bereich vom stromaufwärtigen Ende des Trägers bis zu einem Punkt bei einem Viertel bis einem Drittel der gesamten Länge konzentriert vorliegt.

6. Keramischer Katalysatorkörper, umfassend einen keramischen Träger, der einen Katalysator direkt auf der Oberfläche einer Substratkeramik tragen kann, und eine auf dem keramischen Träger geträgerte Katalysatorkomponente, wobei ein Katalysator mit einer hohen Wärmebeständigkeit auf der stromaufwärtigen Seite des einströmenden Gases angeordnet ist und ein Katalysator mit geringer Wärmebeständigkeit in der stromabwärtigen Seite angeordnet ist.

7. Der keramische Katalysatorkörper gemäß Anspruch 6, wobei der Katalysator mit höherer Wärmebeständigkeit ein Katalysator mit einem 50%-Reinigungsverhältnis bei einer Einlasstemperatur von nicht höher als 300°C, und der vorstehend beschriebene Katalysator mit einer niedrigeren Wärmebeständigkeit ein Katalysator mit einem 50%-Reinigungsverhältnis bei einer Einlasstemperatur von nicht weniger als 350°C ist.

8. Der keramische Katalysatorkörper gemäß Anspruch 1, wobei die Querschnittsfläche des keramischen Trägers größer als die Querschnittsfläche einer an den keramischen Träger angebundenen Gaseinlassröhre ist.

9. Keramischer Katalysatorkörper, umfassend einen keramischen Träger, der einen Katalysator direkt auf der Oberfläche eines keramischen Substrats tragen kann, und eine auf dem keramischen Träger geträgerte Katalysatorkomponente, wobei der Katalysator Teilchen mit einer Gestalt umfasst, die eine größere Oberfläche als kugelförmige oder halbkugelförmige Teilchen des gleichen Gewichts umfasst.

10. Der keramische Katalysatorkörper gemäß Anspruch 9, wobei die Gestalt der Katalysatorteilchen wenigstens eine der folgenden ist: ein Polyhedron, eine konische Gestalt oder ein Konus, dem ein Teil fehlt, eine im wesentlich kugelförmige Gestalt mit Oberflächenunebenheiten oder Vorsprüngen, nadelförmige und hohle Teilchen.

11. Keramischer Katalysatorkörper, umfassend einen keramischen Träger, der einen Katalysator direkt auf der Oberfläche einer Substratkeramik tragen kann, und eine auf dem keramischen Träger geträgerte Katalysatorkomponente, wobei der Katalysator in einer Ebene ausgerichtet ist, die eine hohe katalytische Aktivität besitzt.

12. Der keramische Katalysatorkörper gemäß Anspruch 9, wobei der Katalysator in den Poren durch Imprägnierung des keramischen Trägers mittels einer Katalysatorlösung und Sintern geträgert ist.

13. Der keramische Katalysatorkörper gemäß Anspruch 1, wobei ein oder mehrere der die Bestandteile bildenden Elemente des keramischen Substrats durch ein anderes Element als das den Bestandteil bildende Element substituiert sind, und wobei der keramische Träger die Katalysatorkomponente direkt auf dem substituierenden Element tragen kann.

14. Der keramische Katalysatorkörper gemäß Anspruch 13, wobei die Katalysatorkomponente direkt auf dem substituierenden Element durch eine chemische Bindung geträgert vorliegt.

15. Der keramische Katalysatorkörper gemäß Anspruch 13, wobei das substituierende Element eines oder mehrere Elemente mit d- oder f-Schalen in deren Elektronenhüllen sind.

16. Der keramische Katalysatorkörper gemäß Anspruch 1, wobei der keramische Katalysator eine große Anzahl an Poren aufweist, die direkt den Katalysator auf der Oberfläche der Substratkeramik tragen können, so dass die Katalysatorkomponente direkt in den Poren geträgert vorliegen kann.

17. Der keramische Katalysatorkörper gemäß Anspruch 16, wobei die Poren wenigstens eine Sorte umfassen, die aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Fehlstellen in dem keramischen Kristallgitter, mikroskopischen Sprüngen in der keramischen Oberfläche und Lochfehlstellen des die Keramik aufbauenden Elements besteht.

18. Der keramische Katalysatorkörper gemäß Anspruch 17, wobei die mikroskopischen Sprünge bevorzugt eine Breite von 100 nm oder kleiner aufweisen.

19. Der keramische Katalysatorkörper gemäß Anspruch 17, wobei die Poren einen Durchmesser oder eine Breite von bevorzugt dem 1000-fachen Durchmesser des zu trägernden Katalysatorions oder geringer aufweisen und die Dichte der Poren bei 1 × 10¹¹ pro Liter oder höher liegt.

20. Der keramische Katalysatorkörper gemäß Anspruch 17, wobei die Substratkeramik Cordierit als die Hauptkomponente enthält, und die Poren aus Fehlstellen gebildet sind, die durch Substitution eines Teils der die Bestandteile bildenden Elemente des Cordierits mit einem Metallelement mit einem unterschiedlichen Valenzwert erzeugt werden.

21. Der keramische Katalysatorkörper gemäß Anspruch 20, wobei die Fehlstellen wenigstens eine Sorte umfassen, die aus Sauerstofffehlstellen oder Gitterfehlstellen ausgewählt sind, und die Dichte des Cordieritkristalls, welcher wenigstens eine Fehlstelle in einer Kristallgittereinheit des Cordierits aufweist, auf 4 × 10^-6% oder höher eingestellt ist.