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DE102018106415A1 - Katalytisches wandstromfilter mit einem ammoniak-slip-katalysator - Google Patents

Katalytisches wandstromfilter mit einem ammoniak-slip-katalysator Download PDF

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DE102018106415A1
DE102018106415A1 DE102018106415.2A DE102018106415A DE102018106415A1 DE 102018106415 A1 DE102018106415 A1 DE 102018106415A1 DE 102018106415 A DE102018106415 A DE 102018106415A DE 102018106415 A1 DE102018106415 A1 DE 102018106415A1
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DE
Germany
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zone
scr catalyst
end surface
wall
porous substrate
Prior art date
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Pending
Application number
DE102018106415.2A
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English (en)
Inventor
Garry Adam Burgess
Guy Richard Chandler
Keith Anthony Flanagan
David MARVELL
Paul Richard Phillips
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Johnson Matthey PLC
Original Assignee
Johnson Matthey PLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Johnson Matthey PLC filed Critical Johnson Matthey PLC
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Abstract

Beschrieben wird ein katalytisches Wandstrommonolithfilter zur Verwendung in einem Emissionsbehandlungssystem, das einen Wandstrommonolith umfasst, der ein poröses Substrat umfasst, das Oberflächen, die die Kanäle definieren, aufweist und eine erste Zone, die sich in der Längsrichtung von einer ersten Endfläche in Richtung einer zweiten Endfläche über eine Distanz von weniger als der Filterlänge erstreckt, und eine zweite Zone, die sich in der Längsrichtung von der zweiten Endfläche in Richtung der ersten Endfläche erstreckt und sich in der Längsrichtung über eine Distanz von weniger als der Filterlänge erstreckt, aufweist, wobei ein erster SCR-Katalysator durch die erste Zone des porösen Substrats hindurch verteilt ist, ein Ammoniakoxidationskatalysator durch die zweite Zone des porösen Substrats hindurch verteilt ist und sich ein zweiter SCR-Katalysator in einer Schicht befindet, die die Oberflächen in der zweiten Zone des porösen Substrats bedeckt.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft katalytischen Wandstrommonolith, der SCR-Katalysatoren und einen Ammoniak-Slip-Katalysator umfasst, der zur Verwendung in einem Emissionsbehandlungssystem, wie beispielsweise in mobilen und stationären Systemen mit einem Verbrennungsabgassystem, geeignet ist.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen in Dieselmotoren, stationären Gasturbinen und anderen Systemen erzeugt Abgas, das zur Entfernung von Stickstoffoxiden (NOx), die NO (Stickstoffmonoxid) und NO2 (Stickstoffdioxid) umfassen, behandelt werden muss. Es ist bekannt, dass NOx eine Reihe von Gesundheitsproblemen bei Menschen verursacht und des Weiteren eine Reihe von schädlichen Auswirkungen auf die Umwelt zur Folge hat, einschließlich der Bildung von Smog und saurem Regen. Zur Milderung der Auswirkungen von NOx im Abgas sowohl auf Menschen als auch auf die Umwelt ist es wünschenswert, diese unerwünschten Komponenten vorzugsweise durch ein Verfahren, das keine weiteren schädlichen oder toxischen Substanzen erzeugt, zu entfernen.
  • Die Verbrennung von Kraftstoff auf Kohlenwasserstoffbasis in Motoren und Elektrizitätswerken produziert Abgas oder Rauch(gas), das zum Großteil die relativ harmlosen Bestandteile Stickstoff (N2), Wasserdampf (H2O) und Kohlenstoffdioxid (CO2) enthält. Die Abgase und Rauchgase enthalten jedoch des Weiteren - zu einem relativ geringen Anteil - schädliche und/oder toxische Substanzen, wie Kohlenstoffmonoxid (CO) aus einer unvollständigen Verbrennung, Kohlenwasserstoffe (HC) aus nicht verbranntem Kraftstoff, Stickstoffoxide (NOx) aus überhöhten Verbrennungstemperaturen und partikelförmiges Material (hauptsächlich Ruß). Um die Umweltauswirkungen von in die Atmosphäre freigesetztem Abgas und Rauchgas zu mildern, ist es wünschenswert, die Menge der unerwünschten Bestandteile zu eliminieren oder zu verringern, bevorzugt durch ein Verfahren, welches wiederum selbst keine weiteren schädlichen oder toxischen Substanzen erzeugt.
  • Abgas, das in mager verbrennenden Dieselmotoren erzeugt wird, ist allgemein oxidativ aufgrund des hohen Anteils an Sauerstoff, der bereitgestellt wird, um eine adäquate Verbrennung des Kohlenwasserstoffkraftstoffs zu gewährleisten. NOx muss selektiv mit einem Katalysator und einem Reduktionsmittel in einem als selektive katalytische Reduktion (SCR) bekannten Verfahren, das NOx zu elementarem Stickstoff (N2) und Wasser umwandelt, reduziert werden. Dieser Prozess kann auch N2O, ein für die Ozonschicht der Erde schädliches Gas, bilden. Bei einem SCR-Verfahren wird ein gasförmiges Reduktionsmittel, typischerweise wasserfreies Ammoniak, wässriges Ammoniak oder Harnstoff zu einem Abgasstrom zugegeben, bevor das Abgas mit dem Katalysator in Kontakt gelangt. Das Reduktionsmittel wird auf dem Katalysator absorbiert und das NOx wird reduziert, während die Gase durch und/oder über das katalysierte Substrat strömen. Zur Maximierung der Umwandlung von NOx ist es häufig erforderlich, mehr als eine stöchiometrische Menge an Ammoniak zu dem Gasstrom zuzugeben. Die Freisetzung des überschüssigen Ammoniaks in die Atmosphäre wäre jedoch für die Gesundheit der Menschen und für die Umwelt schädlich. Darüber hinaus ist Ammoniak basisch, insbesondere in seiner wässrigen Form. Eine Kondensation von Ammoniak und Wasser in Bereichen der Abgasleitung stromab der Abgaskatalysatoren kann zu einem korrosiven Gemisch führen, das das Abgassystem beschädigen kann. Daher sollte die Freisetzung von Ammoniak im Abgas eliminiert werden. In zahlreichen herkömmlichen Abgassystemen ist ein Ammoniak-Oxidationskatalysator (auch bekannt als Ammoniak-Slip-Katalysator oder „ASC“) stromab des SCR-Katalysators eingebaut, um Ammoniak aus dem Abgas durch Umwandeln zu Stickstoff zu entfernen. Die Verwendung von Ammoniak-Slip-Katalysatoren kann NOx-Umwandlungen von mehr als 90 % über einen typischen Dieselfahrzyklus hinweg ermöglichen.
  • Bei Abgasen aus Dieselmotoren ist eine der am schwersten zu entfernenden Komponenten NOx. Die Reduktion von NOx zu N2 ist besonders problematisch, da das Abgas ausreichend Sauerstoff enthält, um oxidative Reaktionen an Stelle einer Reduktion zu begünstigen. Nichtsdestotrotz kann NOx durch ein Verfahren, das allgemein als selektive katalytische Reduktion (SCR) bekannt ist, reduziert werden. Ein SCR-Verfahren beinhaltet die Umwandlung von NOx in Gegenwart eines Katalysators und mit Hilfe eines stickstoffhaltigen Reduktionsmittels, wie Ammoniak, zu elementarem Stickstoff (N2) und Wasser. Bei einem SCR-Verfahren wird ein gasförmiges Reduktionsmittel, wie Ammoniak, zu einem Abgasstrom vor dem Inkontaktbringen des Abgases mit dem SCR-Katalysator zugegeben. Das Reduktionsmittel wird auf dem Katalysator absorbiert und die NOx-Reduktionsreaktion findet statt, wenn die Gase durch oder über das katalysierte Substrat geführt werden. Die chemischen Gleichungen für stöchiometrische SCR-Reaktionen unter Verwendung von Ammoniak lauten: 4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O 2NO2 + 4NH3 + O2 → 3N2 + 6H2O NO + NO2 + 2NH3 → 2N2 + 3H2O
  • Die meisten SCR-Verfahren verwenden einen stöchiometrischen Überschuss von Ammoniak, um die Umwandlung von NOx zu maximieren. Nicht umgesetztes Ammoniak, das durch den SCR-Prozess hindurchtritt (auch als „Ammoniak-Schlupf“ bezeichnet), ist nicht erwünscht, da das freigesetzte Ammoniakgas negative Auswirkungen auf die Atmosphäre haben kann und mit anderen Verbrennungsspezies reagieren kann. Zur Verringerung des Ammoniak-Schlupfs können SCR-Systeme einen Ammoniakoxidationskatalysator (AMOX) (auch bekannt als Ammoniak-Slip-Katalysator (ASC)) stromab des SCR-Katalysators umfassen.
  • Katalysatoren zum Oxidieren von überschüssigem Ammoniak in einem Abgas sind bekannt. Beispielsweise beschreibt das US-Patent 7 393 511 einen Ammoniakoxidationskatalysator, der ein Edelmetall, wie z.B. Platin, Palladium, Rhodium oder Gold, auf einem Träger von Titanoxid Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Zirconiumoxid u. dgl. enthält. Andere Ammoniakoxidationskatalysatoren enthalten eine erste Schicht von Vanadiumoxid, Wolframoxid und Molybdänoxid auf einem Titandioxidträger und eine zweite Schicht von Platin auf einem Titandioxidträger (siehe z.B. die US-Patente 7 410 626 und 8 202 481 ).
  • Demgemäß ist es wünschenswert, einen verbesserten katalysierten Wandstrommonolith bereitzustellen, der eine verbesserte NOx-Umwandlung gegenüber einem herkömmlichen SCRF/ASC-Auf-Wand-Design liefert und gleichzeitig eine ähnliche NH3-Umwandlung und eine verringerte N2O-Bildung erreicht. Es wäre ebenfalls wünschenswert, über einen verbesserten katalysierten Wandstrommonolith zu verfügen, der eine verbesserte NOx-Umwandlung über ein breites Temperaturfenster hinweg, eine ähnliche NH3-Umwandlung und eine verringerte unerwünschte N2O-Bildung liefert. Die vorliegende Erfindung erfüllt diesen Bedarf.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • In einem ersten Aspekt der Erfindung umfasst ein katalytisches Wandstrommonolithfilter zur Verwendung in einem Emissionsbehandlungssystem eine erste Endfläche, eine zweite Endfläche, eine Filterlänge, die durch die Distanz von der ersten Endfläche zu der zweiten Endfläche definiert ist, eine Längsrichtung zwischen der ersten Endfläche und der zweiten Endfläche und eine erste und eine zweite Vielzahl von Kanälen, die sich in der Längsrichtung erstrecken,
    wobei die erste Vielzahl von Kanälen an der ersten Endfläche offen und an der zweiten Endfläche geschlossen ist und die zweite Vielzahl von Kanälen an der zweiten Endfläche offen und an der ersten Endfläche geschlossen ist,
    wobei das Monolithfilter ein poröses Substrat umfasst, das Oberflächen aufweist, die die Kanäle definieren, und eine erste Zone, die sich in der Längsrichtung von der ersten Endfläche in Richtung der zweiten Endfläche über eine Distanz von weniger als der Filterlänge erstreckt, und eine zweite Zone, die sich in der Längsrichtung von der zweiten Endfläche in Richtung der ersten Endfläche erstreckt und sich in der Längsrichtung über eine Distanz von weniger als der Filterlänge erstreckt, aufweist,
    wobei die erste Zone einen ersten SCR-Katalysator, der durch das poröse Substrat hindurch verteilt ist, umfasst, und die zweite Zone einen Ammoniakoxidationskatalysator, der durch das poröse Substrat hindurch verteilt ist, umfasst, und
    ein zweiter SCR-Katalysator sich in einer Schicht befindet, die die Oberflächen in der zweiten Zone des porösen Substrats bedeckt. Der zweite SCR-Katalysator kann: (1) lediglich in der Schicht, die die Oberflächen des porösen Substrats in der zweiten Zone bedeckt (d.h. er ist nicht durch das poröse Substrat hindurch verteilt), (auf den Wänden) vorhanden sein, oder (2) in der Schicht, die die Oberflächen des porösen Substrats in der zweiten Zone bedeckt, (auf den Wänden) vorhanden sein und in im Wesentlichen dem gesamten porösen Substrat oder einem Bereich des porösen Substrats (z.B. in der Wand) in der zweiten Zone vorhanden sein (in den Wänden). Wenn der zweite SCR-Katalysator in dem gesamten porösen Substrat oder einem Bereich des porösen Substrats in der zweiten Zone vorhanden ist, kann er (zusammen) mit dem gesamten Ammoniakoxidationskatalysator oder einem Bereich des Ammoniakoxidationskatalysators vorhanden sein.
  • Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines katalytischen Wandstrommonolithfilters, umfassend:
    1. (a) Bereitstellen eines porösen Substrats, das eine erste Endfläche und eine zweite Endfläche, die eine Längsrichtung dazwischen definieren, und eine erste und eine zweite Vielzahl von Kanälen, die sich in der Längsrichtung erstrecken, aufweist, wobei die erste Vielzahl von Kanälen an der ersten Endfläche offen und an der zweiten Endfläche geschlossen ist, und wobei die zweite Vielzahl von Kanälen an der zweiten Endfläche offen und an der ersten Endfläche geschlossen ist;
    2. (b) Ausbilden einer ersten Zone durch selektives Infiltrieren des porösen Substrats mit einem Washcoat, der den ersten SCR-Katalysator umfasst,
    3. (c) Ausbilden des Bereichs der zweiten Zone, die den Ammoniakoxidationskatalysator umfasst, durch selektives Infiltrieren des porösen Substrats mit einem einen Ammoniakoxidationskatalysator umfassenden Washcoat, und
    4. (d) Ausbilden einer Beschichtung eines zweiten SCR-Katalysators über dem Ammoniakoxidationskatalysator in der zweiten Zone, wobei die Wände der zweiten Vielzahl von Kanälen durch die Beschichtung bedeckt sind,
    wobei Stufe (b) vor Stufe (c) durchgeführt werden kann oder Stufe (c) vor Stufe (b) durchgeführt werden kann.
  • Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln eines Abgases, wobei das Verfahren ein In-Kontakt-bringen eines NOx und Ammoniak umfassenden Abgases mit einem katalytischen Wandstrommonolithfilter des ersten Aspekts der Erfindung umfasst.
  • Figurenliste
  • Die Erfindung wird nun im Hinblick auf die nachfolgenden nicht einschränkenden Figuren beschrieben.
    • 1 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch ein Wandstrommonolithfilter 1 gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt.
    • 2 ist eine schematische Darstellung, die den Ort der zwei SCR-Katalysatoren und eines Ammoniakoxidationskatalysators in einer Konfiguration der Erfindung zeigt, wobei der zweite SCR-Katalysator lediglich in einer Beschichtung über dem Ammoniakoxidationskatalysator in der zweiten Zone vorhanden ist.
    • 3 ist eine Querschnittsansicht, gezeigt durch die Ebene A-A in 1, des Wandstrommonolithfilters, wobei sich die Katalysatoren in der in 2 gezeigten Konfiguration befinden.
    • 4 ist eine schematische Abbildung, die den Ort der zwei SCR-Katalysatoren und eines Ammoniakoxidationskatalysators in einer Konfiguration der Erfindung zeigt, wobei der zweite SCR-Katalysator in einer Beschichtung über dem Ammoniakoxidationskatalysator in der zweiten Zone und in einem Bereich des Substrats in der zweiten Zone (zusammen) mit einem Bereich des Ammoniakoxidationskatalysators vorhanden ist.
    • 5 ist eine schematische Darstellung, die den Ort der zwei SCR-Katalysatoren und eines Ammoniakoxidationskatalysators in einer Konfiguration der Erfindung zeigt, wobei der zweite SCR-Katalysator in einer Beschichtung über dem Ammoniakoxidationskatalysator in der zweiten Zone und in dem gesamten Substrat in der zweiten Zone (zusammen) mit dem gesamten Ammoniakoxidationskatalysator vorhanden ist.
    • 6 ist eine schematische Darstellung eines Abgasbehandlungssystems für einen Dieselmotor.
    • 7 ist eine schematische Darstellung eines Abgasbehandlungssystems für einen Dieselmotor, die die Orte, an denen das Wandstromfilter und andere Katalysatoren platziert werden können, zeigt.
    • 8 ist eine grafische Darstellung, die die prozentuale NH3-Umwandlung durch eine In-Wand- gegenüber einer Auf-Wand-Platzierung eines Oxidationskatalysators über einen Temperaturbereich von etwa 200 bis etwa 625 °C zeigt.
    • 9 ist eine grafische Darstellung, die die prozentuale NOx-Umwandlung durch eine In-Wand- gegenüber einer Auf-Wand-Platzierung eines Oxidationskatalysators über einen Temperaturbereich von etwa 200 bis etwa 625 °C zeigt.
    • 10 ist eine grafische Darstellung, die die Menge der N2O-Bildung durch eine In-Wand- gegenüber einer Auf-Wand-Platzierung eines Oxidationskatalysators über einen Temperaturbereich von etwa 200 bis etwa 625 °C zeigt.
    • 11 ist eine grafische Darstellung, die die N2O-Selektivität durch eine In-Wandgegenüber einer Auf-Wand-Platzierung eines Oxidationskatalysators über einen Temperaturbereich von etwa 200 bis etwa 625 °C zeigt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung wird nun weitergehend beschrieben. In den nachfolgenden Passagen sind unterschiedliche Aspekte der Erfindung detaillierter definiert. Jeder so definierte Aspekt kann mit einem beliebigen weiteren Aspekt oder Aspekten kombiniert werden, wenn nicht das Gegenteil klar angegeben ist. Insbesondere kann jedes beliebige Merkmal, das als bevorzugt oder vorteilhaft angegeben ist, mit einem beliebigen weiteren Merkmal oder beliebigen weiteren Merkmalen, das bzw. die als bevorzugt oder vorteilhaft angegeben ist bzw. sind, kombiniert werden.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein katalytisches Wandstrommonolithfilter, das einen Ammoniak-Slip-Katalysator umfasst, zur Verwendung in einem Emissionsbehandlungssystem. Wandstrommonolithe sind auf dem einschlägigen Fachgebiet zur Verwendung in Dieselpartikelfiltern gut bekannt. Sie funktionieren, indem sie einen Strom von Abgasen (einschließlich partikelförmigem Material) dazu zwingen, durch aus einem porösen Material gebildete Wände hindurchzutreten.
  • Der Wandstrommonolith weist eine erste Endfläche, die der Einlass für Abgase ist, eine zweite Endfläche, die ein Auslass für die Abgase ist, die eine Längsrichtung zwischen diesen definieren, auf.
  • Ein monolithisches Wandstromfilter umfasst zahlreiche parallele Kanäle, die durch dünne Wände getrennt sind, die axial durch den Monolith verlaufen und mit einem oder mehreren Katalysatoren beschichtet sind. Der Begriff „Wände“ bedeutet die physische Struktur des Substrats, das die Kanäle bildet. Der Begriff „Kanäle“ bedeutet einen durch die Wände in dem Substrat gebildeten Raum. Der Querschnitt der Kanäle kann rund, oval oder polygonal (dreieckig, viereckig, rechteckig, hexagonal oder trapezoid) sein. Die Struktur erinnert an eine Wabe.
  • Ein Wandstrommonolith weist eine erste und eine zweite Vielzahl bzw. Pluralität von Kanälen, die sich in der Längsrichtung erstrecken, auf. Die erste Pluralität von Kanälen ist an der ersten Endfläche offen und an der zweiten Endfläche geschlossen. Die zweite Pluralität von Kanälen ist an der zweiten Endfläche offen und an der ersten Endfläche geschlossen. Die Kanäle sind vorzugsweise parallel zueinander und stellen eine relativ konstante Wanddicke zwischen den Kanälen bereit. Infolgedessen können Gase, die in eine der Pluralitäten von Kanälen eintreten, den Monolith nicht verlassen, ohne durch die Kanalwände in die andere Pluralität von Kanälen zu diffundieren. Die Kanäle sind durch Einführen eines Abdichtungs- bzw. Versiegelungsmittels in das offene Ende eines Kanals verschlossen. Vorzugsweise ist die Anzahl der Kanäle in der ersten Pluralität gleich zu der Anzahl der Kanäle in der zweiten Pluralität und jede Pluralität ist gleichmäßig durch den Monolith hindurch verteilt.
  • Der Wandstrommonolith umfasst eine Anzahl von Zellen. Der Begriff „Zelle“ bedeutet einen von einer oder mehreren Wänden umgebenen Kanal. Die Zahl der Zellen pro Einheitsquerschnittsfläche ist die „Zelldichte“. Vorzugsweise führt die mittlere Querschnittsbreite der ersten und der zweiten Pluralität von Kanälen in Kombination mit den porösen Wänden zu einer Zelldichte von 100 bis 600, vorzugsweise 200 bis 400 Zellen pro Quadratzoll (cpsi) (15,5 bis 93 Zellen pro Quadratzentimeter (cpscm), vorzugsweise 31 bis 64 cpscm). Die Kanäle können eine konstante Breite aufweisen und jede Pluralität von Kanälen kann eine gleichförmige Kanalbreite aufweisen. Vorzugsweise weist jedoch die Pluralität von Kanälen, die bei Gebrauch als Einlass dient, eine größere mittlere Querschnittsbreite auf als die Pluralität von Kanälen, die als Auslass dient. Vorzugsweise beträgt der Unterschied mindestens 10 %. Dies liefert eine erhöhte Aschespeicherungskapazität in dem Filter, was bedeutet, dass eine geringere Regenerationshäufigkeit verwendet werden kann. Asymmetrische Filter sind in dem US-Patent 7 247 184 beschrieben, das hier durch Bezugnahme aufgenommen ist.
  • Vorzugsweise beträgt die mittlere minimale Dicke des Substrats zwischen benachbarten Kanälen (d.h. die Wanddicke) 6 bis einschließlich 20 mil (wobei ein „mil“ 1/1000 Zoll entspricht) (0,015 cm bis 0,05 cm). Da die Kanäle vorzugsweise parallel sind und vorzugsweise eine konstante Breite aufweisen, ist die minimale Wanddicke zwischen benachbarten Kanälen vorzugsweise konstant. Selbstverständlich ist es notwendig, die mittlere minimale Distanz zu messen, um eine reproduzierbare Messung zu gewährleisten. Beispielsweise gibt es, wenn die Kanäle einen runden Querschnitt aufweisen und dicht gepackt sind, mindestens einen Punkt, wo die Wand zwischen zwei benachbarten Kanälen am dünnsten ist. Die Wanddicke steht vorzugsweise mit der Porosität der Wand und/oder mit der mittleren Porengröße in Verbindung. Beispielsweise kann die Wanddicke zwischen dem 10- und 50-fachen der mittleren Porengröße betragen.
  • Um das Hindurchtreten der zu behandelnden Gase durch die Kanalwände zu erleichtern, ist der Monolith aus einem porösen Substrat ausgeformt. Das Substrat kann auch als Träger zum Halten des katalytischen Materials wirken. Geeignete Materialien zur Bildung des porösen Substrats umfassen keramikartige Materialien, wie z.B. Cordierit, α-Aluminiumoxid, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Zirconiumoxid, Mullit, Spodumen, Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Magnesiumoxid oder Zirconiumsilicat, oder poröses, hitzebeständiges Metall. Wandstromsubstrate können auch aus keramischen Faserverbundmaterialien gebildet sein. Bevorzugte Wandstromsubstrate sind aus Cordierit und Siliciumcarbid gebildet. Solche Materialien sind in der Lage, der Umgebung, insbesondere den hohen Temperaturen standzuhalten, die beim Behandeln der Abgasströme angetroffen werden, und können ausreichend porös gemacht werden. Solche Materialien und ihre Verwendung bei der Herstellung von porösen Monolithsubstraten sind auf dem einschlägigen Fachgebiet gut bekannt.
  • Vorzugsweise ist das Monolithfilter porös und kann eine Porosität von 40 bis 75 % aufweisen. Geeignete Techniken zur Bestimmung der Porosität sind auf dem einschlägigen Fachgebiet bekannt und umfassen die Quecksilberporosimetrie und Röntgentomografie.
  • Vorzugsweise weist das beschichtete poröse Substrat eine Porosität von etwa 25 bis 50 % auf und die Katalysatoroberflächenbeschichtung weist eine Porosität von 25 bis 75 % auf. Die Porosität der Katalysatorbeschichtung kann höher sein als die Porosität des beschichteten porösen Substrats oder das beschichtete poröse Substrat kann eine höhere Porosität relativ zu der Porosität der Katalysatorbeschichtung aufweisen.
  • Das Wandstrommonolithfilter umfasst mindestens zwei SCR-Katalysatoren und einen Ammoniakoxidationskatalysator. Ein Katalysator ist im Allgemeinen auf ein Wandstrommonolithfilter als ein katalytisches Material appliziert. Der Begriff „katalytisches Material“ bedeutet eine Kombination eines Katalysators mit einem oder mehreren nicht-katalytischen Material(ien), wie beispielsweise Trägern, Bindemitteln, die Rheologie modifizierenden Mitteln, Promotoren, Stabilisatoren u. dgl.
  • SCR-KATALYSATOREN
  • Die SCR-Katalysatoren können ein Oxid eines unedlen Metalls, ein Molekularsieb, ein metallausgetauschtes Molekularsieb oder ein Gemisch hiervon sein. Das unedle Metall kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Cer (Ce), Chrom (Cr), Cobalt (Co), Kupfer (Cu), Eisen (Fe), Mangan (Mn), Molybdän (Mo), Nickel (Ni), Wolfram (W), Vanadium (V) und Gemischen hiervon besteht. SCR-Zusammensetzungen, die aus Vanadium, geträgert auf einem hitzebeständigen Metalloxid, wie Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Zirconiumoxid, Titanoxid, Ceroxid und Kombinationen hiervon bestehen, sind gut bekannt und werden weithin kommerziell in mobilen Anwendungen verwendet. Typische Zusammensetzungen sind in den US-Patenten 4 010 238 und 4 085 193 beschrieben, deren gesamter Inhalt hier durch Bezugnahme aufgenommen ist. Zusammensetzungen, die kommerziell - insbesondere in mobilen Anwendungen - verwendet werden, umfassen TiO2, auf das WO3 und V2O5 in Konzentrationen in einem Bereich von 5 bis 20 Gew.-% bzw. 0,5 bis 6 Gew.-% dispergiert sind. Diese Katalysatoren können weitere anorganische Materialien, wie SiO2 und ZrO2, enthalten, die als Bindemittel und Promotoren wirken.
  • Wenn der SCR-Katalysator ein unedles Metall ist, kann der Katalysatorartikel des Weiteren mindestens einen Promotor des unedlen Metalls umfassen. Wie hier verwendet, ist ein „Promotor“ so zu verstehen, dass der Begriff eine Substanz bedeutet, die bei Hinzufügen zu einem Katalysator die Aktivität des Katalysators erhöht. Der Promotor des unedlen Metalls kann in Form eines Metalls, eines Oxids des Metalls oder eines Gemisches hiervon vorliegen. Der mindestens eine Katalysatorpromotor eines unedlen Metalls kann aus Barium (Ba), Calcium (Ca), Cer (Ce), Lanthan (La), Magnesium (Mg), Mangan (Mn), Molybdän (Mo), Neodym (Nd), Niob (Nb), Praseodym (Pr), Strontium (Sr), Tantal (Ta), Tantal (Ta), Zinn (Sn), Zink (Zn), Zirconium (Zr) und Oxiden hiervon ausgewählt sein. Der mindestens eine Katalysatorpromotor eines unedlen Metalls kann vorzugsweise CeO2, CoO, CuO, Fe2O3, MnO2, Mn2O3, SnO2 und Gemische hiervon sein. Der mindestens eine Katalysatorpromotor des unedlen Metalls kann zu dem Katalysator in Form eines Salzes in einer wässrigen Lösung, wie in Form eines Nitrats oder eines Acetats, zugegeben werden. Der mindestens eine Katalysatorpromotor eines unedlen Metalls und der mindestens eine ein unedles Metall umfassende Katalysator, z.B. Kupfer, können aus einer wässrigen Lösung auf das bzw. die Oxidträgermaterial(ien) imprägniert werden, können zu einem das bzw. die Oxidträgermaterial(ien) umfassenden Washcoat zugegeben werden oder können in einen Träger, der zuvor mit dem Washcoat beschichtet wurde, imprägniert werden. Der SCR-Katalysator kann von mindestens etwa 0,1 Gewichtsprozent, mindestens etwa 0,5 Gewichtsprozent, mindestens etwa 1 Gewichtsprozent oder mindestens etwa 2 Gewichtsprozent bis höchstens etwa 10 Gewichtsprozent, etwa 7 Gewichtsprozent, etwa 5 Gewichtsprozent eines Promotormetalls, bezogen auf das Gesamtgewicht des Promotormetalls und des Trägers, enthalten.
  • Der SCR-Katalysator kann ein Molekularsieb oder ein metallausgetauschtes Molekularsieb umfassen. Wie hier verwendet, soll der Begriff „Molekularsieb“ ein kleine Poren einer präzisen und gleichförmigen Größe enthaltendes metastabiles Material bedeuten, das als Adsorptionsmittel für Gase oder Flüssigkeiten verwendet werden kann. Die Moleküle, die klein genug sind, um durch die Poren hindurchzutreten, werden adsorbiert, wohingegen die größeren Moleküle nicht adsorbiert werden. Das Molekularsieb kann ein zeolithisches Molekularsieb, ein nicht-zeolithisches Molekularsieb oder ein Gemisch hiervon sein.
  • Ein zeolithisches Molekularsieb ist ein mikroporöses Alumosilicat, das ein beliebiges der Gerüststrukturen aufweist, die in der von der Internationalen Zeolithvereinigung (IZA) veröffentlichten Datenbank von Zeolithstrukturen aufgelistet sind. Die Gerüststrukturen umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, diejenigen der CHA-, BEA-, FAU-, LTA-, MFI- und MOR-Typen. Nicht einschränkende Beispiele von Zeolithen mit diesen Strukturen umfassen Chabasit, Faujasit, Zeolith Y, ultrastabilen Zeolith Y, Beta-Zeolith, Mordenit, Silicalit, Zeolith X und ZSM-5. Alumosilicatzeolithe können ein Siliciumdioxid/Aluminiumoxid-Molverhältnis (SAR) (definiert als SiO2/Al2O3) von mindestens etwa 5, vorzugsweise mindestens etwa 20, mit geeigneten Bereichen von etwa 10 bis 200, aufweisen.
  • Wie hier verwendet, bezieht sich der Begriff „nicht-zeolithisches Molekularsieb“ auf tetraedrische Gerüste mit gemeinsamen Ecken, worin mindestens ein Teil der tetraedrischen Stellen durch ein von Silicium oder Aluminium verschiedenes Element besetzt ist. Spezielle nicht einschränkende Beispiele von nicht-zeolithischen Molekularsieben umfassen Silicoaluminophosphate, wie z.B. SAPO-34, SAPO-37 und SAPO-44. Die Silicoaluminophosphate können Gerüststrukturen aufweisen, die Gerüstelemente enthalten, die in Zeolithen gefunden werden, wie z.B. BEA, CHA, FAU, LTA, MFI, MOR und weitere nachfolgend beschriebene Typen.
  • Der SCR-Katalysator kann ein kleinporiges, mittelporiges oder großporiges Molekularsieb oder Kombinationen hiervon umfassen.
  • Der SCR-Katalysator kann ein kleinporiges Molekularsieb umfassen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Alumosilicat-Molekularsieben, metallsubstituierten Alumosilicat-Molekularsieben, Aluminophosphat (AlPO)-Molekularsieben, metallsubstituierten Aluminophosphat (MeAlPO)-Molekularsieben, Silicoaluminophosphat (SAPO)-Molekularsieben und metallsubstituierten Silicoaluminophosphat (MeAPSO)-Molekularsieben und Gemischen hiervon besteht. Der SCR-Katalysator kann ein kleinporiges Molekularsieb umfassen, das aus der Gruppe von Gerüsttypen ausgewählt ist, die aus ACO, AEI, AEN, AFN, AFT, AFX, ANA, APC, APD, ATT, CDO, CHA, DDR, DFT, EAB, EDI, EPI, ERI, GIS, GOO, IHW, ITE, ITW, LEV, LTA, KFI, MER, MON, NSI, OWE, PAU, PHI, RHO, RTH, SAT, SAV, SIV, THO, TSC, UEI, UFI, VNI, YUG und ZON sowie Gemischen und/oder Verwachsungen hiervon besteht. Vorzugsweise ist das kleinporige Molekularsieb aus der Gruppe von Gerüsttypen ausgewählt, die aus AEI, AFX, CHA, DDR, ERI, ITE, KFI, LTA, LEV und SFW besteht.
  • Der SCR-Katalysator kann ein mittelporiges Molekularsieb umfassen, das aus der Gruppe von Gerüsttypen ausgewählt ist, die aus AEL, AFO, AHT, BOF, BOZ, CGF, CGS, CHI, DAC, EUO, FER, HEU, IMF, ITH, ITR, JRY, JSR, JST, LAU, LOV, MEL, MFI, MFS, MRE, MTT, MVY, MWW, NAB, NAT, NES, OBW, PAR, PCR, PON, PUN, RRO, RSN, SFF, SFG, STF, STI, STT, STW, -SVR, SZR, TER, TON, TUN, UOS, VSV, WEI und WEN sowie Gemischen und/oder Verwachsungen hiervon besteht. Vorzugsweise ist das mittelporige Molekularsieb aus der Gruppe von Gerüsttypen ausgewählt, die aus FER, MFI und STT besteht.
  • Der SCR-Katalysator kann ein großporiges Molekularsieb umfassen, das aus der Gruppe von Gerüsttypen ausgewählt ist, die aus AFI, AFR, AFS, AFY, ASV, ATO, ATS, BEA, BEC, BOG, BPH, BSV, CAN, CON, CZP, DFO, EMT, EON, EZT, FAU, GME, GON, IFR, ISV, ITG, IWR, IWS, IWV, IWW, JSR, LTF, LTL, MAZ, MEI, MOR, MOZ, MSE, MTW, NPO, OFF, OKO, OSI, RON, RWY, SAF, SAO, SBE, SBS, SBT, SEW, SFE, SFO, SFS, SFV, SOF, SOS, STO, SSF, SSY, USI, UWY und VET und Gemischen und/oder Verwachsungen hiervon besteht. Vorzugsweise ist das großporige Molekularsieb aus der Gruppe von Gerüsttypen ausgewählt, die aus BEA, MOR und OFF besteht.
  • Ein metallausgetauschtes Molekularsieb kann mindestens ein Metall aus einer der Gruppen VB, VIB, VIIB, VIIIB, IB oder IIB des Periodensystems aufweisen, das auf extra-Gerüst-Stellen auf der äußeren Oberfläche oder in den Kanälen, Hohlräumen oder Käfigen der Molekularsiebe deponiert ist. Die Metalle können in einer von mehreren Formen vorliegen, einschließlich, ohne darauf beschränkt zu sein, als nullwertige Metallatome oder Cluster, isolierte Kationen, mononukleäre oder polynukleäre Oxykationen oder als verlängerte bzw. „extended“ Metalloxide. Vorzugsweise können die Metalle Eisen, Kupfer und Gemische oder Kombinationen hiervon sein.
  • Das Metall kann mit dem Zeolith unter Verwendung eines Gemischs oder einer Lösung des Metallvorläufers in einem geeigneten Lösemittel kombiniert werden. Der Begriff „Metallvorläufer“ bedeutet eine beliebige Verbindung oder einen beliebigen Komplex, die bzw. der auf dem Zeolith zum Erhalten einer katalytisch aktiven Metallkomponente verteilt bzw. dispergiert werden kann. Vorzugsweise ist das Lösemittel Wasser aufgrund sowohl ökonomischer als auch umweltbedingter Aspekte bei der Verwendung anderer Lösemittel. Wenn Kupfer, ein bevorzugtes Metall, verwendet wird, umfassen geeignete Komplexe oder Verbindungen, ohne darauf beschränkt zu sein, wasserfreies und hydratisiertes Kupfersulfat, Kupfernitrat, Kupferacetat, Kupferacetylacetonat, Kupferoxid, Kupferhydroxid und Salze von Kupferamminen (z.B. [Cu(NH3)4] 2+). Die vorliegende Erfindung ist nicht auf Metallvorläufer eines speziellen Typs, einer speziellen Zusammensetzung oder Reinheit beschränkt. Das Molekularsieb kann zu der Lösung der Metallkomponente unter Bildung einer Suspension zugegeben werden, die anschließend reagieren gelassen wird, so dass die Metallkomponente auf dem Zeolith verteilt ist. Das Metall kann in den Porenkanälen sowie auf der äußeren Oberfläche des Molekularsiebs verteilt sein. Das Metall kann in ionischer Form oder in Form eines Metalloxids verteilt sein. Beispielsweise kann Kupfer in Form von Kupfer(II)-ionen, Kupfer(I)-ionen oder in Form von Kupferoxid verteilt sein. Das das Metall enthaltende Molekularsieb kann von der flüssigen Phase der Suspension getrennt, gewaschen und getrocknet werden. Das erhaltene, ein Metall enthaltende Molekularsieb kann daraufhin calciniert werden, um das Metall in dem Molekularsieb zu fixieren.
  • Ein metallausgetauschtes Molekularsieb kann ein Metall der Gruppe VB, VIB, VIIB, VIIIB, IB oder IIB in dem Bereich von etwa 0,10 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%, das sich auf extra-Gerüst-Stellen auf der äußeren Oberfläche oder in den Kanälen, Hohlräumen oder Käfigen des Molekularsiebs befindet, enthalten. Vorzugsweise kann das extra-Gerüst-Metall in einer Menge in dem Bereich von etwa 0,2 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-% vorhanden sein.
  • Das metallausgetauschte Molekularsieb kann ein Kupfer- (Cu)-geträgertes kleinporiges Molekularsieb sein, das von etwa 0,1 bis etwa 20,0 Gew.-% Kupfer, bezogen auf das Gesamtgewicht des Katalysators, aufweist. Vorzugsweise ist Kupfer von etwa 1 Gew.-% bis etwa 6 Gew.-% des Gesamtgewichts des Katalysators, bevorzugter von etwa 1,8 Gew.-% bis etwa 4,2 Gew.-% des Gesamtgewichts des Katalysators vorhanden.
  • Das metallausgetauschte Molekularsieb kann ein Eisen- (Fe)-geträgertes kleinporiges Molekularsieb sein, das von etwa 0,1 bis etwa 20,0 Gew.-% Eisen, bezogen auf das Gesamtgewicht des Katalysators, aufweist. Vorzugsweise ist Eisen von etwa 1 Gew.-% bis etwa 6 Gew.-% des Gesamtgewichts des Katalysators, bevorzugter von etwa 1,8 Gew.-% bis etwa 4,2 Gew.-% des Gesamtgewichts des Katalysators vorhanden.
  • Das metallausgetauschte Molekularsieb kann ein Mangan- (Mn)-geträgertes kleinporiges Molekularsieb sein, das von etwa 0,1 bis etwa 20,0 Gew.-% Mangan, bezogen auf das Gesamtgewicht des Katalysators, aufweist. Vorzugsweise ist Mangan von etwa 1 Gew.-% bis etwa 6 Gew.-% des Gesamtgewichts des Katalysators, bevorzugter von etwa 1,8 Gew.-% bis etwa 4,2 Gew.-% des Gesamtgewichts des Katalysators vorhanden.
  • OXIDATIONSKATALYSATOR
  • Der Oxidationskatalysator kann ein Edelmetall oder Gemische hiervon umfassen. Vorzugsweise ist das Edelmetall Gold, Silber, Platin, Palladium, Ruthenium oder Rhodium oder Kombinationen hiervon. Bevorzugter ist das Edelmetall Platin oder Palladium oder eine Kombination von Platin und Palladium.
  • Ein Edelmetall ist vorzugsweise auf einem hitzebeständigen Metalloxidträger angeordnet.
  • Das Platingruppenmetall kann in einer Menge von etwa 0,1 g/ft3 bis etwa 75 g/ft3, vorzugsweise von etwa 2 g/ft3 bis etwa 50 g/ft3, bevorzugter von etwa 5 g/ft3 bis etwa 30 g/ft3 vorhanden sein.
  • Der Ammoniakoxidationskatalysator kann Platin, Palladium oder eine Kombination von Platin und Palladium auf einem Träger mit geringer Ammoniakspeicherung umfassen. Der Begriff „ein Träger mit geringer Ammoniakspeicherung“ bedeutet einen Träger, der weniger als 0,001 mmol NH3 pro m3 des Trägers speichert. Der Träger mit geringer Ammoniakspeicherung ist vorzugsweise ein Molekularsieb oder Zeolith mit einem Gerüsttyp, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus AEI, ANA, ATS, BEA, CDO, CFI, CHA, CON, DDR, ERI, FAU, FER, GON, IFR, IFW, IFY, IHW, IMF, IRN, IRY, ISV, ITE, ITG, ITN, ITR, ITW, IWR, IWS, IWV, IWW, JOZ, LTA, LTF, MEL, MEP, MFI, MRE, MSE, MTF, MTN, MTT, MTW, MVY, MWW, NON, NSI, RRO, RSN, RTE, RTH, RUT, RWR, SEW, SFE, SFF, SFG, SFH, SFN, SFS, SFV, SGT, SOD, SSF, SSO, SSY, STF, STO, STT, SVR, SVV, TON, TUN, UOS, UOV, UTL, UWY, VET, VNI besteht. Bevorzugter ist der Träger mit geringer Ammoniakspeicherung ein Molekularsieb oder ein Zeolith mit einem Gerüsttyp, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus BEA, CDO, CON, FAU, MEL, MFI und MWW besteht, noch bevorzugter ist der Gerüsttyp aus der Gruppe ausgewählt, die aus BEA und MFI besteht.
  • Eine einen Oxidationskatalysator umfassende Schicht kann des Weiteren ein Oxidträgermaterial umfassen, das Aluminiumoxid (Al2O3), Siliciumdioxid (SiO2), Zirconiumoxid (ZrO2), Ceroxid (CeO2) und Titanoxid (TiO2) oder Gemische hiervon umfasst. Das Oxidträgermaterial kann des Weiteren andere Oxidmaterialien, wie Perowskite, Nickeloxid (NiO), Mangandioxid (MnO2), Praseodym(III)-oxid (Pr2O3), umfassen. Das Oxidträgermaterial kann Verbundoxide oder Mischoxide von zwei oder mehr hiervon (wie z.B. CeZrO2-Mischoxide, TiZrO2-Mischoxide, TiSiO2-Mischoxide und TiAlOx-Oxide, wobei x von dem Verhältnis von TiO2 zu Al2O3 abhängig ist) umfassen. Das Oxidträgermaterial kann zusätzlich dazu, dass es als ein Träger dient, auch als ein Bindemittel dienen. Beispielsweise kann Aluminiumoxid sowohl als Träger als auch als Bindemittel in einem Aluminiumoxid-und-CeZrO2Mischoxid wirken. Die zweite Schicht kann ein Oxidträgermaterial umfassen, das eines oder mehrere von stabilisiertem Aluminiumoxid, Ceroxid, Siliciumdioxid, Titanoxid und Zirconiumoxid umfasst. Die Stabilisatoren können aus Zirconium (Zr), Lanthan (La), Aluminium (AI), Yttrium (Y), Praseodym (Pr), Neodym (Nd), einem Oxid hiervon, einem Verbundoxid oder einem Mischoxid von beliebigen zwei oder mehr hiervon oder mindestens einem Erdalkalimetall, z.B. Barium (Ba), Calcium (Ca), Magnesium (Mg) und Strontium (Sr), ausgewählt sein. Wenn jedes Oxidträgermaterial stabilisiert ist, können die Stabilisatoren gleich oder verschieden sein. Das Oxidträgermaterial kann Al2O3 und CeO2 sein. Wenn das Oxidträgermaterial Al2O3 ist, kann es beispielsweise alpha-, gamma-, beta-, delta- oder theta-Al2O3 sein. Das Trägermaterial kann in Form von Mischoxiden oder stabilisierten Mischoxiden vorliegen. Die Metalloxide in Mischoxiden sind in Form einer einzelnen Phase vorhanden, wohingegen stabilisierte Mischoxide in zwei Phasen vorhanden sind. Vorzugsweise umfasst eine den Oxidationskatalysator umfassende Schicht Cu und Mn als die ersten und zweiten Metalle, Aluminiumoxid und entweder CeO2/ZrO2 oder ein Zr-stabilisiertes CeO2-Mischoxid. Das Zrstabilisierte CeO2-Mischoxid kann Ce und Zr in einem Molverhältnis von etwa 1:1 umfassen. Das Oxidträgermaterial kann La-stabilisiertes Al2O3 und Zr-stabilisiertes CeO2 sein. Das Oxidträgermaterial in der zweiten Schicht kann etwa 20 Molprozent La-stabilisiertes Al2O3 und etwa 80 Molprozent Zr-stabilisiertes CeO2 umfassen.
  • Das Wandstrommonolithfilter der vorliegenden Erfindung wurde mit einem ersten SCR-Katalysator, um eine erste Zone, die sich in der Längsrichtung von der ersten Endfläche erstreckt, zu erhalten, und mit einem Ammoniakoxidationskatalysator und einem zweiten SCR-Katalysator behandelt, um eine zweite Zone auszubilden, die sich in der Längsrichtung von der zweiten Endfläche in Richtung der ersten Zone erstreckt. Mit anderen Worten bildet ein Ende des Monoliths (relativ zu der Strömung der Abgase) die erste Zone und der Rest des Monoliths an dem anderen Ende bildet die zweite Zone. Die erste Zone und die zweite Zone können sich vorzugsweise an einer Grenze treffen, die vorzugsweise in einer Ebene liegt, die annähernd parallel zu der ersten und der zweiten Endfläche ist. Dies erleichtert das Auftragungsverfahren des Washcoats. Es ist jedoch auch möglich, dass eine Grenze, die sich über den Querschnitt des Monoliths hinweg verändert, wie eine kegelförmige Grenze, vorhanden ist. Dies kann in vorteilhafter Weise zur Erhöhung des Volumens der zweiten Zone in dem Monolith verwendet werden, da ein zentrales Gebiet des Monoliths erhöhte Temperaturen erfahren kann.
  • Das Wandstrommonolithfilter kann des Weiteren eine Lücke zwischen mindestens einem Bereich der ersten Zone und der zweiten Zone umfassen. Vorzugsweise ist keine Lücke zwischen mindestens einem Bereich der ersten Zone und der zweiten Zone vorhanden.
  • Zur Bereitstellung eines katalytischen Wandstrommonoliths der vorliegenden Erfindung wird katalytisches Material auf das poröse Substrat, typischerweise in Form eines Washcoats, appliziert. Die Applikation kann als Applikation „in die Wand“ bzw. „In-Wand“-Applikation oder als Applikation „auf der Wand“ bzw. als „Auf-Wand“-Applikation charakterisiert werden. „In die Wand“ bedeutet, dass das katalytische Material in den Poren in dem porösen Material vorhanden ist. „Auf der Wand “ bedeutet, dass das Katalysatormaterial in Form einer Katalysatorbeschichtung auf den Wänden der Kanäle vorhanden ist. Der Begriff „Katalysatorbeschichtung“ bedeutet ein katalytisches Material, das auf den Wänden eines Monolithfilters in einer Dicke von etwa 0,1 bis 15 % der Dicke der Wand, auf der die Beschichtung angeordnet ist, vorhanden ist. Bei einer Applikation auf den Wänden kann ein Teil des katalytischen Materials in den Wänden vorhanden sein. In einigen Konfigurationen kann der zweite SCR-Katalysator in der zweiten Zone sowohl „auf der Wand“ und in Form einer Beschichtung als auch „in der Wand“ vorhanden sein. Die Mengen des zweiten SCR-Katalysators, die in der Wand vorhanden sind, sind hier beschrieben.
  • Die Techniken für eine „In-Wand-“ oder eine „Auf-Wand-“Applikation können von der Viskosität des applizierten Materials, der Applikationstechnik (beispielsweise Sprühen oder Eintauchen) und dem Vorhandensein verschiedener Lösemittel abhängen. Solche Applikationstechniken sind auf dem einschlägigen Fachgebiet bekannt. Die Viskosität des Washcoats wird beispielsweise durch dessen Feststoffgehalt beeinflusst. Die Viskosität wird auch durch die Partikelgrößenverteilung des Washcoats - eine relativ flache Verteilung liefert eine andere Viskosität als ein fein vermahlener Washcoat mit einem scharfen Peak in seiner Partikelgrößenverteilung - und durch Rheologiemodifizierungsmittel, wie z.B. Guargummis und andere Gummis, beeinflusst. Geeignete Beschichtungsverfahren sind in den US-Patenten 6 599 570, 8 703 236 und 9 138 735 beschrieben, die hier durch Bezugnahme aufgenommen sind.
  • Es ist unter Verwendung herkömmlicher Techniken möglich, unterschiedliche Zonen, die verschiedene Verteilungen eines katalytischen Materials aufweisen, in dem Substrat bereitzustellen. Beispielsweise kann, falls eine „Auf-Wand“-Applikation auf eine spezielle Zone des Substrats gewünscht ist, eine schützende Polymerbeschichtung (wie z.B. Polyvinylacetat) auf die verbleibende Zone in einer solchen Weise appliziert werden, dass sich die Katalysatorbeschichtung dort nicht ausbildet. Nachdem der restliche Washcoat entfernt wurde, beispielsweise unter Vakuum, kann die schützende Polymerbeschichtung weggebrannt werden.
  • Die erste Zone umfasst einen ersten SCR-Katalysator, der durch das poröse Substrat hindurch verteilt ist. Beispiele für den ersten SCR-Katalysator sind oben erörtert. „Durch das poröse Substrat hindurch verteilt“ bedeutet, dass das Material in dem porösen Substrat zu finden ist. Ein Großteil der Poren kann den ersten SCR-Katalysator enthalten. Dies kann visuell beobachtet werden, beispielsweise unter Verwendung von Mikroskopie oder verschiedenen anderen, nachfolgend beschriebenen Techniken in Abhängigkeit von dem jeweiligen Katalysator.
  • In der ersten Zone ist die erste Vielzahl von Kanälen vorzugsweise frei von katalytischem Material, das sich auf der Oberfläche hiervon befindet. Der Begriff „frei von katalytischem Material auf der Oberfläche“ bedeutet, dass kein visuelles Erscheinen von katalytischem Material vorliegt, kein katalytisches Material auf den Wänden des Kanals nachgewiesen wird oder dass beliebiges katalytisches Material, das auf den Wänden des Kanals nachgewiesen wird, in einer Konzentration vorhanden ist, die keine Auswirkung auf die katalytisehe Gesamtaktivität des Monolithfilters hat. Vorzugsweise ist die zweite Vielzahl von Kanälen frei von katalytischem Material auf der Oberfläche hiervon. Bevorzugter ist sowohl die erste als auch die zweite Pluralität von Kanälen frei von katalytischem Material auf der Oberfläche hiervon.
  • Der erste SCR-Katalysator kann in den Poren des Substrats, wie bspw. durch Infiltration mittels eines Washcoatverfahrens, platziert sein. Dieses Verfahren beschichtet die Poren und hält katalytisches Material darin, während gleichzeitig eine ausreichende Porosität für ein Hindurchdringen der Gase durch die Kanalwände beibehalten wird.
  • Die zweite Zone weist einen durch das poröse Substrat hindurch verteilten Oxidationskatalysator und einen zweiten SCR-Katalysator in Form einer Beschichtung auf den Wänden des Substrats auf. In der zweiten Zone enthält der Großteil der Poren den Ammoniakoxidationskatalysator. Der erste SCR-Katalysator und der Ammoniakoxidationskatalysator in der ersten Zone bzw. in der zweiten Zone befinden sich im Wesentlichen in den Wänden des Filters und nicht auf der Oberfläche der Wände.
  • Der zweite SCR-Katalysator befindet sich in einer Schicht, die die Oberflächen in der zweiten Zone des porösen Substrats bedeckt. Der zweite SCR-Katalysator kann: (1) lediglich in der Schicht, die die Oberflächen des porösen Substrats in der zweiten Zone bedeckt (d.h. er ist nicht durch das poröse Substrat hindurch verteilt), (auf den Wänden) vorhanden sein, oder (2) in der Schicht, die die Oberflächen des porösen Substrats in der zweiten Zone bedeckt, (auf den Wänden) und in im Wesentlichen dem gesamten porösen Substrat oder einem Bereich des porösen Substrats (z.B. in der Wand) in der zweiten Zone (in den Wänden) vorhanden sein. Der Begriff „im Wesentlichen das gesamte poröse Substrat in der zweiten Zone“ bedeutet, dass mindestens etwa 70 %, mindestens etwa 75 %, mindestens etwa 80 %, mindestens etwa 85 %, mindestens etwa 90 % oder mindestens etwa 95 % des porösen Substrats den zweiten SCR-Katalysator in der Wand des Substrats enthält. Der Begriff „ein Bereich des porösen Substrats in der zweiten Zone“ bedeutet, dass weniger als etwa 70 %, weniger als etwa 65 %, weniger als etwa 60 %, weniger als etwa 55 %, weniger als etwa 50 %, weniger als etwa 45 %, weniger als etwa 40 %, weniger als etwa 35 %, weniger als etwa 25 %, weniger als etwa 20 %, weniger als etwa 15 %, weniger als etwa 10 % oder weniger als etwa 5 % des porösen Substrats den zweiten SCR-Katalysator in der Wand des Substrats enthält.
  • In einer Konfiguration ist der zweite SCR-Katalysator in der zweiten Zone nicht durch das poröse Substrat hindurch verteilt. Der Begriff „nicht durch das poröse Substrat hindurch verteilt“ bedeutet, dass das Material entweder lediglich auf den Wänden des Substrats vorhanden ist oder dass das Material mit dem Hauptteil des Materials auf den Wänden des porösen Substrats vorhanden ist und sich der Rest des Materials in einem Bereich, jedoch nicht in dem gesamten porösen Substrat, das der zweiten Zone zugeordnet ist, befindet. Der Begriff „Bereich des Substrats“ bedeutet einen Teil des Substrats, jedoch nicht das gesamte Substrat.
  • Vorzugsweise dringt das katalytisches Material, das die Kanäle der zweiten Zone bedeckt, bis zu einem oder mehreren der folgenden Werte von: < 25 %, < 20 %, < 15 %, < 10 % und < 5 % der Dicke der Kanalwand ein.
  • Bei dem katalytischen Wandstrommonolithfilter kann der zweite SCR-Katalysator in der Schicht, die die Oberflächen des porösen Substrats in der zweiten Zone bedeckt, und in dem gesamten porösen Substrat in der zweiten Zone vorhanden sein.
  • Bei dem katalytischen Wandstrommonolithfilter kann der zweite SCR-Katalysator in der Schicht, die die Oberflächen des porösen Substrats in der zweiten Zone bedeckt, und in einem Bereich des porösen Substrats in der zweiten Zone vorhanden sein.
  • Wenn der zweite SCR-Katalysator in dem gesamten oder einem Bereich des porösen Substrats in der zweiten Zone vorhanden ist, kann er (zusammen) mit dem gesamten oder einem Teil des Ammoniakoxidationskatalysators vorhanden sein.
  • In der zweiten Zone kann der zweite SCR-Katalysator in einer Konfiguration im Wesentlichen auf den Wänden und nicht in den Wänden vorhanden sein. Der Ausdruck „im Wesentlichen auf den Wänden und nicht in den Wänden“ bedeutet, dass ein Großteil, vorzugsweise mindestens 75 %, 80 %, 85 %, 90 % oder 95 %, des Materials auf den Wänden des Monoliths in der zweiten Zone vorhanden ist. Dies kann beispielsweise durch Rasterelektronenmikroskopie (REM) bestimmt werden. Wenn der Katalysator ein Metall, wie z.B. Kupfer, umfasst, kann eine EPMA (Elektronensonden-Mikroanalyse) zur Bestimmung der Verteilung des Metalls in und auf den Wänden verwendet werden. Diese Katalysatoren können auch, z.B. unter Verwendung von Mikroskopie, durch die Abwesenheit von Washcoat in den Wänden des Substrats beobachtet werden.
  • In einer Konfiguration kann sich das katalytische Material in der zweiten Zone in Poren nahe der Oberfläche des Substrats in der zweiten Zone erstrecken und kann in einem Bereich des Substrats nahe der Beschichtung vorhanden sein. Dies kann für das Anhaften der Beschichtung an dem Substrat notwendig sein.
  • In der zweiten Zone ist ein Oxidationskatalysator in den Wänden des Filters vorhanden und ein zweiter SCR-Katalysator ist in Form einer Beschichtung, die die Wände der zweiten Vielzahl von Kanälen (Auslassseite der porösen Wand) bedeckt, vorhanden. Der Oxidationskatalysator kann auf den Monolith von der zweiten Endfläche her unter Verwendung einer beliebigen Technik, die zum Platzieren des ersten SCR-Katalysators in den Wänden des Filters verwendet werden kann, appliziert werden. Die den zweiten SCR-Katalysator umfassende Katalysatorbeschichtung kann eine durchschnittliche Dicke von etwa 0,1 bis 15 % der Dicke der Wand, auf der die Beschichtung angeordnet ist, aufweisen. Diese Dicke umfasst nicht eine beliebige Tiefe, die mit einem Eindringen in die Poren in Verbindung steht. Das den zweiten SCR-Katalysator umfassende katalytische Material kann die Kanalwände der zweiten Vielzahl von Kanälen von der zweiten Endfläche her in Form einer Beschichtung auf der Wand bedecken. Die Beschichtung auf der Wand kann eine Dicke von 10 µm bis einschließlich 80 µm, vorzugsweise von 15 bis einschließlich 60 µm, bevorzugter 15 bis einschließlich 50 µm, aufweisen.
  • Die zweite Zone kann etwa 10 bis etwa 50 % der Filterlänge, gemessen von der zweiten Endfläche, bedecken. Beispielsweise kann die zweite Zone 10-45 %, 10-40 %, 10-35 %, 10-25 %, 10-20 % oder 10-15 % der Filterlänge bedecken. Vorzugsweise bedeckt die zweite Zone 10-25 %, 25-50 %, bevorzugter 10-25 % der Filterlänge. Die Beschichtung des zweiten SCR-Katalysators in der zweiten Zone kann ferner einen Katalysatorkonzentrationsgradienten umfassen, wobei die hohe Konzentration des zweiten SCR-Katalysators in Richtung des Einlassendes des Filters vorhanden ist.
  • Das katalytische Wandstrommonolithfilter kann ein Verhältnis einer Länge der zweiten Zone zu einer Länge der ersten Zone in der Längsrichtung von 1:10 bis 1:1, vorzugsweise 1:10 bis 1:2, bevorzugter 1:10 bis 1:4, noch bevorzugter 1:10 bis 1:5, aufweisen.
  • Die Größe der Partikel des Katalysatormaterials kann gewählt werden, um deren Bewegung in das Substrat einzuschränken. Ein Fachmann auf dem einschlägigen Fachgebiet erkennt, dass diese Größe von den Porengrößen des Monolithfilters vor der Behandlung abhängig ist.
  • Die Beschichtung des zweiten SCR-Katalysators über dem Ammoniakoxidationskatalysator kann in Form eines Katalysatorwashcoats appliziert werden, der den zweiten SCR-Katalysator und optional einen oder mehrere weitere Bestandteile, wie z.B. Bindemittel (z.B. Metalloxidpartikel), Fasern (z.B. Glasfasern oder keramische nicht-gewebte Fasern), Maskierungsmittel, Rheologiemodifizierungsmittel und Porenbildner enthält.
  • Das Katalysatormaterial kann in Form einer Schicht auf den Wänden der Kanäle abgelagert werden. Dies kann mittels einer beliebigen einer Vielzahl von auf dem einschlägigen Fachgebiet bekannten Techniken, wie beispielsweise Sprühen oder Eintauchen, durchgeführt werden. Das katalytische Material kann mittels einer von mehreren Techniken, wie z.B. der Verwendung einer dicken und viskosen Beschichtungslösung gemäß obiger Beschreibung, von einem Infiltrieren des porösen Substrats im Wesentlichen abgehalten werden. In Konfigurationen, bei denen ein Teil des zweiten SCR-Katalysators in dem porösen Substrat vorgefunden wird, kann die Partikelgrößenverteilung des zweiten SCR-Katalysators breiter sein und eine größere Menge von Partikeln mit kleinerer Größe umfassen, die verwendet werden, wenn der zweite SCR-Katalysator lediglich in Form einer Beschichtung auf der Oberfläche des porösen Substrats vorhanden ist. Ein Fachmann auf dem einschlägigen Fachgebiet erkennt, dass Veränderungen bezüglich des Washcoats, wie z.B. eine verdünnte Lösung, ein erhöhtes Eindringen in die Wände ermöglichen können.
  • Der erste SCR-Katalysator, der durch die erste Zone des porösen Substrats hindurch verteilt ist, kann der gleiche sein wie der zweite SCR-Katalysator, der die Oberfläche der zweiten Vielzahl von Kanälen bedeckt.
  • Alternativ kann der erste SCR-Katalysator, der durch die erste Zone des porösen Substrats hindurch verteilt ist, von dem zweiten SCR-Katalysator, der die Oberfläche der zweiten Vielzahl von Kanälen bedeckt, verschieden sein.
  • Vorzugsweise umfasst das katalytische Material, das durch die erste Zone des porösen Substrats hindurch verteilt ist, einen kleinporigen Zeolith. Kleinporige Zeolithe mit spezieller Anwendung zum Behandeln von NOx in Abgasen von Magergemischmotoren umfassen Zeolithe, die aus den Strukturfamilien AEI, AFT, AFX, CHA, DDR, EAB, ERI, GIS, GOO, KFI, LEV, LTA, MER, PAU, SFW, VNI und YUG ausgewählt sind. Geeignete Beispiele sind in dem US-Patent 8 603 432 beschrieben, das hier durch Bezugnahme aufgenommen ist. Kleinporige Zeolithe aus den AEI-, CHA- und LTA-Familien sind besonders bevorzugt. Der kleinporige Zeolith umfasst vorzugsweise eines oder mehrere von Cu, Fe und Mn. Der kleinporige Zeolith kann ein oder mehrere Edelmetalle (Gold, Silber und Platingruppenmetalle), vorzugsweise Platingruppenmetalle, bevorzugter Palladium oder Platin und am stärksten bevorzugt Palladium, umfassen. Das katalytische Material kann des Weiteren Ce umfassen.
  • Der erste SCR-Katalysator kann vorzugsweise einen Katalysator mit einem schnellen Übergangsverhalten (transient response), wie z.B. einen Katalysator, der Vanadium nicht enthält und der keinen Zeolith enthält, oder einen Zeolith oder einen Metall enthaltenden Zeolith, wie z.B. Cu/Beta, umfassen.
  • Vorzugsweise befindet sich der haltbarere Katalysator, wie z.B. ein Kupfer enthaltender kleinporiger Zeolith, an dem stromabseitigen Bereich des Wandstrommonoliths.
  • Vorzugsweise weist der zweite SCR-Katalysator, der Auf-Wand-Katalysator, der sich auf dem stromabseitigen (Hinterseiten)-Abschnitt des Wandstrommonoliths befindet, eine höhere thermische Stabilität als der erste SCR-Katalysator auf.
  • Vorzugsweise sind das durch die erste Zone des porösen Substrats hindurch verteilte katalytische Material und das die Oberfläche der zweiten Pluralität von Kanälen bedeckende katalytische Material unabhängig aus Kupfer, Eisen oder Mangan enthaltenden Zeolithen, wie z.B. AEI, AFX, BEA, CHA und LTA, ausgewählt.
  • Ein katalytisches Wandstrommonolithfilter kann ferner eine dritte Zone umfassen, die sich zwischen der ersten Zone und der zweiten Zone befindet, wobei die dritte Zone den durch das poröse Substrat hindurch verteilten ersten SCR-Katalysator und den zweiten SCR-Katalysator, der sich in einer Schicht, die die Oberfläche des porösen Substrats bedeckt, befindet und nicht durch das poröse Substrat hindurch verteilt ist, umfasst.
  • Die dritte Zone kann eine Länge von bis zu 10 %, vorzugsweise bis zu 5 %, der Länge des Monolithsubstrats aufweisen.
  • Ein katalytisches Wandstrommonolithfilter kann ferner eine Lücke zwischen mindestens einem Bereich von: (a) der ersten Zone und der zweiten Zone; (b) der ersten Zone und der dritten Zone; oder (c) der dritten Zone und der zweiten Zone aufweisen.
  • Ein katalytisches Wandstrommonolithfilter kann keine Lücke zwischen mindestens einem Teil von: (a) der ersten Zone und der zweiten Zone; (b) der ersten Zone und der dritten Zone; oder (c) der dritten Zone und der zweiten Zone aufweisen.
  • Eine der Schwierigkeiten beim Behandeln von NOx in einem Abgas besteht darin, dass die Menge von in dem Abgas vorhandenem NOx von vorübergehender Dauer ist, d.h. mit den Fahrbedingungen, wie z.B. einer Beschleunigung, einem Abbremsen und einer Fahrt bei verschiedenen Geschwindigkeiten, schwankt. Um dieses Problem zu überwinden, können SCR-Katalysatoren ein stickstoffhaltiges Reduktionsmittel, wie z.B. Ammoniak, adsorbieren (oder speichern), wodurch sie einen Puffer hinsichtlich der angemessenen Zufuhr von verfügbarem Reduktionsmittel bereitstellen. Auf Molekularsieben basierende Katalysatoren, wie z.B. die oben beschriebenen, können Ammoniak speichern und die Katalysatoraktivität bei Beginn der NH3-Exposition des Katalysators kann wesentlich geringer sein als die Aktivität, wenn der Katalysator einer relativ hohen NH3-Exposition oder einer gesättigten NH3-Exposition ausgesetzt ist. Für praktische Fahrzeuganwendungen bedeutet dies, dass der Katalysator mit einer geeigneten NH3-Beladung vorbeladen sein muss, um eine gute Aktivität zu gewährleisten. Dieses Erfordernis ist jedoch mit einigen erheblichen Problemen verbunden. Insbesondere ist es bei einigen Betriebsbedingungen nicht möglich, die erforderliche NH3-Beladung zu erreichen; und ferner weist dieses Vorbeladungsverfahren Einschränkungen auf, da es nicht möglich ist zu wissen, welche Motorbetriebsbedingungen auf eine Vorbeladung folgen. Wenn beispielsweise der Katalysator mit NH3 vorbeladen ist, die nachfolgende Motorlast jedoch der Leerlaufzustand ist, kann NH3 in die Atmosphäre entschlüpfen gelassen werden. Die Geschwindigkeit der Aktivitätszunahme des SCR-Katalysators von einer Null-Ammoniak-Exposition zu einer gesättigten Ammoniakexposition wird als das „Übergangsverhalten“ bezeichnet. In dieser Hinsicht ist es bevorzugt, dass der zweite SCR-Katalysator, der die Oberfläche der zweiten Pluralität von Kanälen bedeckt, ein großporiger Zeolith, vorzugsweise ein Kupfer-Beta-Zeolith, ist. Alternativ können andere, katalytische Nicht-Zeolith-Materialien verwendet werden, wie z.B. mit W imprägniertes CeO2, mit W imprägniertes CeZrO2 oder mit Fe und W imprägniertes ZrO2. Weitere geeignete Katalysatoren sind in dem US-Patent 7 985 391 und der veröffentlichten US-Patentanmeldung 2012/275977 beschrieben, die hier durch Bezugnahme aufgenommen sind. Die Verwendung solcher großporiger Zeolithe oder Nicht-Zeolith-Materialien als Beschichtung ist vorteilhaft, da diese Materialien im Allgemeinen ein schnelleres SCR-Übergangsverhalten als die oben beschriebenen kleinporigen Zeolithe liefern, da sie erheblich weniger vorbeladenes Ammoniak erfordern, um in wirksamer Weise zu funktionieren. Mit anderen Worten weisen sie eine hohe Aktivität bei geringeren NH3-Expositionen (geringe Exposition relativ zu der Sättigungsspeicherkapazität des Katalysators) im Vergleich zu den kleinporigen Zeolithen auf. Es kann eine synergistische Beziehung zwischen den oben beschriebenen kleinporigen Zeolithen und den vorliegend beschriebenen großporigen Zeolithen und Nicht-Zeolith-Materialien vorhanden sein.
  • In einem weiteren Aspekt wird ein Emissionsbehandlungssystem zum Behandeln eines Verbrennungsabgasstroms bereitgestellt, wobei das System den katalytischen Wandstrommonolith gemäß Beschreibung in dem ersten Aspekt der Erfindung umfasst.
  • Die hier beschriebenen katalytischen Wandstrommonolithfilter sind aus einer Reihe von Gründen vorteilhaft. Herkömmliche ASC-Beschichtungen auf SCRF's vermindern ein Eindringen der ASC-Beschichtung in die poröse Wand des DPF auf ≤ 30 %. Durch Lokalisieren der Oxidationskomponente in der porösen Wand des Filters ist die NOx-Umwandlung gegenüber einem herkömmlichen SCRF/ASC-Auf-Wand-Design verbessert, während gleichzeitig eine ähnliche NH3-Umwandlung und eine verringerte N2O-Bildung erhalten werden.
  • Die hier beschriebenen Filter ermöglichen, dass NOx, das noch in dem Abgas vorhanden ist, nachdem es die den ersten SCR-Katalysator umfassende erste Zone über die stromabseitigen Wandstromfilterkanäle verlässt, mit dem zweiten SCR-Katalysator in der Auf-Wand-Beschichtung in Kontakt gelangen kann. Dies kann einen besseren Kontakt/eine bessere Zugänglichkeit zwischen den Reaktionsteilnehmern und den Stellen der aktiven katalytischen Komponente(n) liefern als die Konfiguration, bei der sich der SCR-Katalysator lediglich in den Wänden befindet und ein Teil des Abgases die erste Zone umgehen kann. Diese Konfiguration kann für eine NOx-Umwandlung in Anwendungen mit einer relativ hohen Strömungsrate sorgen oder kürzere/ein geringeres Volumen aufweisende Substrate ermöglichen, die billiger herzustellen sind, möglicherweise leichter sind (weniger Gewicht kommt der Kraftstoffökonomie zugute und verringert somit CO2-Emissionen), weniger problematisch zu verpacken (Canning) sind und für die in dem Fahrzeug leichter Platz gefunden wird. Filter mit der hier beschriebenen Konfiguration können einen erhöhten Gas/Katalysator-Kontakt ermöglichen, da das Abgas in der Lage ist, weiter mit dem zweiten SCR-Katalysator in der Beschichtung in Kontakt zu gelangen.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines katalytischen Wandstrommonoliths bereitgestellt, das Folgendes umfasst:
    1. (a) Bereitstellen eines porösen Substrats, dass eine erste Endfläche und eine zweite Endfläche, die eine Längsrichtung dazwischen definieren, und eine erste und eine zweite Vielzahl von Kanälen, die sich in der Längsrichtung erstrecken, aufweist, wobei die erste Vielzahl von Kanälen an der ersten Endfläche offen und an der zweiten Endfläche geschlossen ist, und wobei die zweite Vielzahl von Kanälen an der zweiten Endfläche offen und an der ersten Endfläche geschlossen ist;
    2. (b) Ausbilden einer ersten Zone durch selektives Infiltrieren des porösen Substrats mit einem Washcoat, der den ersten SCR-Katalysator umfasst,
    3. (c) Ausbilden des Bereichs der zweiten Zone, die den Ammoniakoxidationskatalysator umfasst, durch selektives Infiltrieren des porösen Substrats mit einem einen Ammoniakoxidationskatalysator umfassenden Washcoat, und
    4. (d) Ausbilden einer Beschichtung eines zweiten SCR-Katalysators über dem Ammoniakoxidationskatalysator in der zweiten Zone, wobei die Wände der zweiten Vielzahl von Kanälen durch die Beschichtung bedeckt sind,
    wobei Stufe (b) vor Stufe (c) durchgeführt werden kann oder Stufe (c) vor Stufe (b) durchgeführt werden kann.
  • Eine selektive Infiltration des Substrats durch den Washcoat kann durch vertikales Eintauchen des Substrats in eine Katalysatoraufschlämmung in einer solchen Weise durchgeführt werden, dass sich die gewünschte Grenze zwischen der ersten und zweiten Substratzone an der Oberfläche der Aufschlämmung befindet. Das Substrat kann in der Aufschlämmung während eines ausreichenden Zeitraums belassen werden, um zu ermöglichen, dass die gewünschte Menge der Aufschlämmung sich in das Substrat bewegt. Der Zeitraum sollte weniger als 1 (eine) Minute, vorzugsweise etwa 30 Sekunden, betragen. Das Substrat wird aus der Aufschlämmung entfernt und überschüssige Aufschlämmung wird von dem Wandstromsubstrat entfernt, indem es zuerst aus den Kanälen des Substrats ablaufen gelassen wird, anschließend indem mit Pressluft auf die Aufschlämmung auf dem Substrat geblasen wird (entgegen der Richtung des Eindringens der Aufschlämmung) und anschließend ein Vakuum aus der Richtung des Eindringens der Aufschlämmung angelegt wird. Durch Verwendung dieser Technik durchdringt die Katalysatoraufschlämmung die Wände der ersten Zone des Substrats, jedoch sind die Poren nicht in dem Ausmaß verschlossen, dass sich in dem fertiggestellten Substrat ein Gegendruck bis zu unakzeptablen Niveaus aufbaut. Ein Fachmann auf dem einschlägigen Fachgebiet erkennt, dass die unakzeptablen Niveaus für den Gegendruck von einer Vielzahl von Faktoren abhängen, einschließlich der Größe des Motors, mit dem das Filter verbunden ist, den Bedingungen, unter denen der Motor betrieben wird und der Häufigkeit und dem Verfahren einer Filterregeneration.
  • Ein Fachmann auf dem einschlägigen Fachgebiet erkennt, dass verschiedene Faktoren, einschließlich, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, die Partikelgrößenverteilung, die Viskosität des Washcoats und die Anwesenheit von weiteren nicht-katalytischen Materialien, wie z.B. Trägern, Bindemitteln, Rheologiemodifizierungsmitteln, Promotoren, Stabilisatoren u. dgl., angepasst werden kann, um die Menge des zweiten SCR-Katalysators zu steuern, die sich in die porösen Wände bewegen kann.
  • Die beschichteten Substrate werden typischerweise bei etwa 100 °C getrocknet und bei einer höheren Temperatur (z.B. 300 bis 450 °C) calciniert. Nach dem Calcinieren kann die Washcoatbeladung aus den beschichteten und unbeschichteten Gewichten des Substrats bestimmt werden. Die Katalysatorbeladung kann aus der Washcoatbeladung auf Basis der Menge des Katalysators in dem Washcoat bestimmt werden. Wie Fachleuten auf dem einschlägigen Fachgebiet klar ist, kann die Washcoatbeladung durch Verändern des Gehalts an Feststoffen in der Beschichtungsaufschlämmung modifiziert werden. Alternativ können wiederholte Eintauchvorgänge des Substrats in die Beschichtungsaufschlämmung durchgeführt werden, gefolgt von einem Entfernen der überschüssigen Aufschlämmung gemäß obiger Beschreibung.
  • Verfahren zur Bildung der Beschichtung des zweiten katalytischen Materials sind auf dem einschlägigen Fachgebiet bekannt und sind in den US-Patenten Nr. 6 599 570, 8 703 236 und 9 138 735 beschrieben, die durch Bezugnahme hier aufgenommen sind. Um zu verhindern, dass sich die Beschichtung des zweiten katalytischen Materials in der ersten Zone des Substrats ausbildet, kann die Oberfläche in der ersten Zone mit einem schützenden polymeren Film, wie z.B. Polyvinylacetat, vorbeschichtet werden. Dies verhindert, dass das katalytische Material an der Oberfläche des Substrats in der ersten Zone anhaftet. Die schützende polymere Beschichtung kann anschließend weggebrannt werden.
  • Vorzugsweise ist der gemäß dem vorhergehenden Verfahren hergestellte katalytische Wandstrommonolith ein Monolith des ersten Aspekts der Erfindung gemäß Beschreibung hierin. D.h., alle Merkmale des ersten Aspekts der Erfindung können mit den hier beschriebenen weiteren Aspekten frei kombiniert werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Behandeln eines Verbrennungsabgasstroms, der NOx und partikelförmiges Material umfasst, bereitgestellt, wobei das Verfahren ein Führen des Abgasstroms durch den Monolith des ersten Aspekts der Erfindung umfasst.
  • Die Abgassysteme der vorliegenden Erfindung sind zur Verwendung in Verbrennungsmotoren, und insbesondere mager verbrennenden Motoren, insbesondere Dieselmotoren, vorgesehen.
  • Die 1, 3 und 4 zeigen verschiedene Merkmale von Aspekten der Erfindung. Nachfolgend ist ein Index mit dem Namen des Merkmals und der entsprechenden Kennzeichnung in diesen Figuren angegeben.
    Wandstrom-Monolith 1 Querschnittsebene A-A
    erste Untergruppe von Kanälen 5 Abgas G
    zweite Untergruppe von Kanälen 10
    erste Endfläche 15 Abgasbehandlungssystem 100
    Versiegelungsmaterial 20 Ammoniakreduktionsmittel 105
    zweite Endfläche 25 Abgasstrom 110
    erste Zone 35 Motor 115
    erster SCR-Katalysator 36 Leitung 120
    zweite Zone 40 Wandstromfilter des ersten
    Oxidationskatalysator 41 Aspekts der Erfindung 125
    zweiter SCR-Katalysator 42 Katalysator vor Wandstrom-filter des ersten Aspekts der Erfindung 127
    Kanalwand 45
    Monolithlänge a Behälter 130
    Länge der ersten Zone b Steuerung 135
    Länge der zweiten Zone c Einspritzdüse 140
  • Ein Wandstrommonolith 1 gemäß der vorliegenden Erfindung ist in den 1 und 3 gezeigt. Der Monolith umfasst eine große Zahl von Kanälen 5,10, die zueinander parallel in der Längsrichtung (durch einen zweiseitigen Pfeil „a“ in 1 dargestellt) des Monoliths 1 angeordnet sind. Die große Zahl von Kanälen weist eine erste Untergruppe von Kanälen 5 und eine zweite Untergruppe von Kanälen 10 auf. Das Monolithfilter ist aus einem porösen Material aufgebaut.
  • 1 zeigt das Monolithfilter 1 mit der ersten Kantenfläche 15 in Richtung der Vorderseite, wo das Abgas in das Monolithfilter 1 durch eine erste Untergruppe von Kanälen 5 eintritt, die an der ersten Endfläche 15 offen und an der zweiten Endfläche 25 verschlossen sind. Die zweite Untergruppe von Kanälen 10 ist an der ersten Endfläche 15 mit Versiegelungsmaterial 20 verschlossen und weist offene Enden an der zweiten Endfläche 25 auf. Der Filtermonolith weist eine Gesamtlänge a auf und umfasst eine erste Zone 35 mit einer Länge b und eine zweite Zone 40 mit einer Länge c. 1 zeigt ferner eine Ebene A-A, die durch das Monolithfilter hindurch verläuft.
  • Eine erste Zone 35 des Wandstrommonoliths 1 erstreckt sich über eine Distanz b von der ersten Endfläche 15 und ist mit einem ersten SCR-Katalysator in den Poren der Kanalwände 45 versehen. Dies kann unter Verwendung eines Washcoatapplikationsverfahrens, wie es auf dem einschlägigen Fachgebiet bekannt und a.a.O. in der Beschreibung erörtert ist, bereitgestellt werden.
  • Eine zweite Zone 40 des Wandstrommonoliths 1 erstreckt sich über eine Distanz c von der zweiten Endfläche 25 in Richtung der ersten Endfläche 15 und trifft auf die erste Zone 35. Die zweite Zone 40 ist mit einem Ammoniakoxidationskatalysator 41 in den Poren der Kanalwände 45 versehen. Eine Oberflächenbeschichtung, die einen zweiten SCR-Katalysator 42 umfasst, wie z.B. einen Zeolith (nicht notwendigerweise, jedoch bevorzugt den gleichen wie der erste SCR-Katalysator 36), kann auf die Oberfläche der Kanalwände 45 in der zweiten Zone 54 appliziert sein. Die Wände der geschlossenen Kanäle (nicht gezeigt) in der zweiten Zone 40 sind vorzugsweise nicht oberflächenbeschichtet.
  • 2 ist eine schematische Darstellung, die den Ort der zwei SCR-Katalysatoren und eines Ammoniakoxidationskatalysators in einer Konfiguration der Erfindung zeigt, bei der der zweite SCR-Katalysator lediglich in einer Beschichtung über dem Ammoniakoxidationskatalysator in der zweiten Zone vorhanden ist. Die erste Zone umfasst einen ersten SCR-Katalysator, der sich in der Wand des Filters befindet. Die zweite Zone, die sich stromab der ersten Zone befindet, umfasst einen Ammoniakoxidationskatalysator in der Wand des Filters und einen zweiten SCR-Katalysator auf der Wand des Filters. Der zweite SCR-Katalysator ist nicht durch das gesamte poröse Substrat hindurch verteilt. Ein Fachmann auf dem einschlägigen Fachgebiet versteht, dass eine geringe Menge (< etwa 20 %, < etwa 15 %, weniger als etwa 10 %, weniger als etwa 5 %, weniger als etwa 3 %) des zweiten SCR in einem Bereich des porösen Substrats vorhanden sein kann.
  • 3 ist eine Querschnittsansicht des Wandstrommonolithfilters, gezeigt durch die Ebene A-A in 1, bei dem sich die Katalysatoren in der in 2 gezeigten Konfiguration befinden. Die erste Untergruppe von Kanälen 5 ist an der ersten Endfläche 15 des Wandstrommonoliths 1 offen und ist an der zweiten Endfläche 25 mit einem Versiegelungsmaterial 20 verschlossen. Eine zweite Untergruppe von Kanälen 10 ist an der zweiten Endfläche 25 des Wandstrommonoliths 1 offen und ist mit einem Versiegelungsmaterial 20 an der ersten Endfläche 15 verschlossen. Die erste Endfläche 15 empfängt ein Abgas G aus einem Motor. Das Abgas G tritt in das Monolithfilter 1 an dem offenen Ende der ersten Untergruppe von Kanälen 5 ein. Gas, das entlang der ersten Untergruppe von Kanälen 5 strömt, kann die Kanäle nicht an der zweiten Endfläche 25 verlassen, da das Ende verschlossen ist 20. Das Gas G tritt durch die porösen Kanalwände 35 hindurch und bewegt sich in die zweite Untergruppe von Kanälen 10 und verlässt anschließend das Monolithfilter an der zweiten Endfläche 25, die mit dem Abgassystem des Motors verbunden ist. Wenn das Gas G durch die porösen Kanalwände 45 hindurchtritt, kann Ruß durch die Wände oder in den Wänden eingefangen werden. Das Monolithfilter umfasst eine erste Zone 35, die den ersten SCR-Katalysator 36 in den Wänden 45 des Monolithfilters enthält und sich von der ersten Endfläche 15 über eine Strecke b in Richtung der zweiten Endfläche 25 erstreckt. Das Monolithfilter umfasst ferner eine zweite Zone 40, die einen Ammoniakoxidationskatalysator 41 in den Wänden 35 sowie eine einen zweiten SCR-Katalysator 42 umfassende Beschichtung auf den Wänden 45 des Monolithfilters enthält. Die zweite Zone 40 erstreckt sich von der zweiten Endfläche 25 über eine Strecke c in Richtung der ersten Endfläche 15.
  • 4 ist eine schematische Abbildung, die den Ort der zwei SCR-Katalysatoren und eines Ammoniakoxidationskatalysators in einer Konfiguration der Erfindung zeigt, wobei der zweite SCR-Katalysator in einer Beschichtung über dem Ammoniakoxidationskatalysator in der zweiten Zone und in einem Bereich des Substrats in der zweiten Zone (zusammen) mit einem Bereich des Ammoniakoxidationskatalysators vorhanden ist.
  • 5 ist eine schematische Abbildung, die den Ort der zwei SCR-Katalysatoren und eines Ammoniakoxidationskatalysators in einer Konfiguration der Erfindung zeigt, wobei der zweite SCR-Katalysator in einer Beschichtung über dem Ammoniakoxidationskatalysator in der zweiten Zone und in dem gesamten Substrat in der zweiten Zone (zusammen) mit dem gesamten Ammoniakoxidationskatalysator vorhanden ist.
  • Ein beispielhaftes Abgasbehandlungssystem 100 ist in 6 gezeigt. In dem Motor 115 erzeugtes Abgas 110 wird durch die Leitung 120 zu dem Abgassystem 100 geführt. Ein Ammoniak-Reduktionsmittel 105 wird in den Abgasstrom 110 stromauf des Wandstromfilters des ersten Aspekts der Erfindung 125 injiziert. Das Ammoniak-Reduktionsmittel 105 wird aus einem Behälter 130 je nach Erfordernis (gemäß Bestimmung mittels der Steuerung 135) durch eine Einspritzdüse 140 ausgegeben und vermischt sich mit dem Abgas, bevor es das Monolithfilter des ersten Aspekts der Erfindung 125, das einen ersten SCR-Katalysator in der ersten Zone enthält, und den Eingang des Abgasstroms in den Monolith erreicht (7).
  • Der Wandstrommonolith 1 ist vorzugsweise eine einzelne Komponente. Jedoch kann der Monolith durch Zusammenheften einer Pluralität von Kanälen oder durch Aneinanderheften einer Pluralität von kleineren Monolithen gemäß Beschreibung hierin gebildet werden. Solche Techniken, sowie geeignete Gehäuse und Konfigurationen des Emissionsbehandlungssystems sind auf dem einschlägigen Fachgebiet gut bekannt.
  • Das Abgasbehandlungssystem 100 kann des Weiteren einen Katalysator 127 umfassen, der sich vor dem Monolithfilter des ersten Aspekts der Erfindung befindet. Der vor dem Monolithfilter des ersten Aspekts der Erfindung angeordnete Katalysator 127 ist in dem Abgassystem angeordnet, bevor das Reduktionsmittel 105 zu dem Abgas durch den Injektor 140 stromauf des den ersten SCR-Katalysator umfassenden Wandstrommonoliths 1 zugegeben wird. Der Katalysator 127, der sich vor dem Monolithfilter des ersten Aspekts der Erfindung befindet, ist vorzugsweise ein Dieseloxidationskatalysator (DOC), eine NOx-Falle oder ein Passiv-NOx-Adsorber (PNA).
  • BEISPIELE
  • Beispiel 1: In-Wand-Oxidationskatalysator
  • Ein Filter mit einem Ammoniakoxidationskatalysator in der Wand des Filters wurde auf einem SiC-Filtersubstrat (300 cpsi, 12 mil Wanddicke) hergestellt, indem zuerst ein Washcoat, der einen Platin auf Aluminiumoxid umfassenden Oxidationskatalysator umfasste, über 10 % der Länge des Filters von einem Ende her platziert wurde. Die Pt-Beladung betrug 6 g/ft3. Das Filter mit dem Pt auf Aluminiumoxid umfassenden Washcoat wurde anschließend getrocknet und 1 Stunde bei 500 °C calciniert. Anschließend wurde eine SCR-Schicht auf das Filter über 90 % der Länge des Filters, die den Ammoniakoxidationskatalysator nicht enthielt, platziert, indem ein Kupferchabasit (Cu-CHA), Aluminiumoxid und ein Rheologiemodifizierungsmittel umfassender Washcoat aufgetragen wurde. Eine Schicht, die den SCR-Washcoat umfasste, wurde anschließend über dem Ammoniakoxidationskatalysator platziert. Die Beladung von Cu-CHA betrug 1,71 g/Zoll3. Das Filter mit dem SCR-Washcoat wurde getrocknet, anschließend während 1 Stunde bei 500 °C calciniert. Das Filter wurde 16 Stunden bei 800 °C hydrothermal gealtert.
  • Beispiel 2: Auf-Wand-Oxidationskatalysator
  • Ein Filter mit einem Ammoniakoxidationskatalysator auf der Wand des Filters wurde auf einem SiC-Filtersubstrat (300 cpsi, 12 mil Wanddicke) hergestellt, indem zunächst ein SCR-Washcoat, der Kupferchabasit (Cu-CHA), Aluminiumoxid und ein Rheologiemodifizierungsmittel umfasste, auf das Filter zur Bildung einer SCR-Schicht platziert wurde. Die Beladung von Cu-CHA betrug 1,71 g/Zoll3. Das Filter mit dem SCR-Washcoat wurde getrocknet, anschließend 1 Stunde bei 500 °C calciniert. Eine Schicht eines Oxidationskatalysators über dem SCR-Katalysator wurde gebildet, indem ein Platin auf Aluminiumoxid umfassender Oxidationswashcoat über dem SCR-Katalysator über 20 % der Länge des Filters von einem Ende des Filters her aufgetragen wurde. Die Pt-Beladung betrug 3 g/ft3. Das Filter mit einer Schicht des Oxidationskatalysators über 20 % der Länge des SCR-Katalysators wurde getrocknet, anschließend 1 Stunde bei 500 °C calciniert. Das Filter wurde 16 Stunden bei 800 °C hydrothermal gealtert.
  • Beispiel 1 und Beispiel 2 unterschieden sich hinsichtlich der Länge der Oxidationsbeschichtung, wobei die In-Wand-Oxidationsbeschichtung (Beispiel 1) über 10 % der Länge des Filters vorhanden war und die Auf-Wand-Oxidationsbeschichtung über 20 % der Länge des Filters vorhanden war. Jedoch war die Menge von Pt in beiden Beispielen die gleiche, da die Beladung der In-Wand-Beschichtung 6 g/ft3 betrug, wohingegen die Beladung der Auf-Wand-Beschichtung 3 g/ft3 betrug.
  • Testverfahren und -bedingungen
  • Proben von Beispiel 1 und Beispiel 2 wurden bei einem Auto mit einem 3L-V6-Motor getestet. Ein Dieseloxidationskatalysator (DOC) befand sich vor den Proben der Beispiele 1 oder 2. Das Fahrzeug wurde bei einem Ammoniak:NOx-Verhältnis (alpha) von 1,2 betrieben. Die Last auf dem Motor wurde so eingestellt, dass die Einlasstemperatur des Filters auf 610 °C gebracht wurde, anschließend wurde die Einlasstemperatur etwa 20 Minuten bei 610 °C beibehalten. Die Last wurde anschließend verringert und die Temperatur an dem Einlass sank auf 420 °C. Die Einlasstemperatur wurde etwa 20 Minuten bei 420 °C beibehalten. Die Last auf dem Motor wurde mehrere Male verringert, sodass die Einlasstemperaturen bei den in der nachfolgenden Tabelle gezeigten Temperaturen gehalten wurden. Während die Temperaturen in einem Gleichgewichtszustand gehalten wurden, wurden Messungen des Gasstroms und verschiedener Komponenten in dem Abgas gemäß nachfolgender Darstellung vorgenommen. Werte am Motorausgang
    SCR-EinlassTemperatur (°C) NOx (ppm) NO2:NO- Verhältnis HC (ppm) CO (ppm) Luftstrom (kg/h)
    610 455 4 1350 600 389
    420 535 4 45 14 403
    350 595 4 45 14 380
    300 420 2 82 28 320
    275 365 2 112 43 301
    250 325 1 126 59 291
    220 380 1 124 24 153
  • Wenn die Motortemperatur bei etwa 600 °C lag, trat eine Filterregeneration auf und Kohlenwasserstoff wurde in den Abgasstrom eingeführt, um Ruß von dem Filter zu entfernen. Dies ist in der obigen Tabelle durch die großen Mengen an Kohlenwasserstoffen (HC) und Kohlenstoffmonoxid (CO) in dem Abgas aus dem Motor bei 610 °C ersichtlich.
  • 8 zeigt, dass Beispiel 1 (In-Wand-Oxidationskatalysator) eine erhöhte NH3-Umwandlung im Vergleich zu Beispiel 2 (Auf-Wand-Oxidationskatalysator) bei Temperaturen von etwa 200 °C bis etwa 325 °C lieferte. Bei Temperaturen von etwa 325 °C bis etwa 425 °C lieferten beide Proben ähnliche NH3-Umwandlungen, wohingegen die Menge der NH3-Umwandlung von der Auf-Wand-Probe bei etwa 625 °C zuzunehmen scheint.
  • 9 zeigt, dass Beispiel 1 (In-Wand-Oxidationskatalysator) eine erhöhte NOx-Umwandlung im Vergleich zu Beispiel 2 (Auf-Wand-Oxidationskatalysator) lieferte. Bei Temperaturen von etwa 200 °C bis etwa 275 °C wandelte die Probe mit dem In-Wand-Oxidationskatalysator etwa 10 % mehr des NOx um als die Probe mit dem Auf-Wand-Oxidationskatalysator. Bei Temperaturen von etwa 300 °C bis etwa 625 °C wandelte die Probe mit dem In-Wand-Oxidationskatalysator etwa 15-20 % mehr NOx um als die Probe mit dem Auf-Wand-Oxidationskatalysator.
  • 10 zeigt, dass Beispiel 1 (In-Wand-Oxidationskatalysator) weniger N2O-Bildung im Vergleich zu Beispiel 2 (Auf-Wand-Oxidationskatalysator) bei Temperaturen zwischen etwa 275 °C und 550 °C lieferte. Bei Temperaturen von etwa 200 °C bis etwa 250 °C lieferte die Probe mit dem In-Wand-Oxidationskatalysator nur eine leicht höhere N2O-Bildung als die Probe mit dem Auf-Wand-Oxidationskatalysator.
  • 11 zeigt, dass bei Temperaturen von etwa 200 °C bis etwa 250 °C Beispiel 1 (In-Wand-Oxidationskatalysator) die gleiche N2O-Selektivität wie Beispiel 2 (Auf-Wand-Oxidationskatalysator) lieferte. Jedoch lieferte Beispiel 1 (In-Wand-Oxidationskatalysator) eine geringere N2O-Selektivität im Vergleich zu Beispiel 2 (Auf-Wand-Oxidationskatalysator) bei Temperaturen zwischen etwa 275 °C und 550 °C. Eine geringere N2O-Selektivität ist erwünscht, da es erforderlich ist, die N2O-Bildung zu verringern.
  • Es ist Fachleuten auf dem einschlägigen Fachgebiet klar, dass Variationen hinsichtlich der Zusammensetzung und der Konfigurationen des katalytischen Wandstrommonolithfilters und der Systeme, die das katalytische Wandstrommonolithfilter umfassen, vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang der Erfindung oder der beigefügten Ansprüche abzuweichen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 7393511 [0007]
    • US 7410626 [0007]
    • US 8202481 [0007]
    • US 7247184 [0018]
    • US 4010238 [0024]
    • US 4085193 [0024]
    • US 6599570 [0047, 0086]
    • US 8703236 [0047, 0086]
    • US 9138735 [0047, 0086]
    • US 8603432 [0069]
    • US 7985391 [0078]
    • US 2012275977 [0078]

Claims (30)

  1. Katalytisches Wandstrommonolithfilter zur Verwendung in einem Emissionsbehandlungssystem, das eine erste Endfläche, eine zweite Endfläche, eine durch die Distanz von der ersten Endfläche zu der zweiten Endfläche definierte Filterlänge, eine Längsrichtung zwischen der ersten Endfläche und der zweiten Endfläche und eine erste und eine zweite Vielzahl von Kanälen, die sich in der Längsrichtung erstrecken, umfasst, wobei die erste Vielzahl von Kanälen an der ersten Endfläche offen und an der zweiten Endfläche geschlossen ist und die zweite Vielzahl von Kanälen an der zweiten Endfläche offen und an der ersten Endfläche geschlossen ist, wobei das Monolithfilter ein poröses Substrat umfasst, das Oberflächen aufweist, die die Kanäle definieren, und eine erste Zone, die sich in der Längsrichtung von der ersten Endfläche in Richtung der zweiten Endfläche über eine Distanz von weniger als der Filterlänge erstreckt, und eine zweite Zone, die sich in der Längsrichtung von der zweiten Endfläche in Richtung der ersten Endfläche erstreckt und sich in der Längsrichtung über eine Distanz von weniger als der Filterlänge erstreckt, aufweist, wobei die erste Zone einen ersten SCR-Katalysator umfasst, der durch das poröse Substrat hindurch verteilt ist, und die zweite Zone einen Ammoniakoxidationskatalysator, der durch das poröse Substrat hindurch verteilt ist, und einen zweiten SCR-Katalysator, der sich in einer Schicht befindet, die die Oberflächen in der zweiten Zone des porösen Substrats bedeckt, umfasst.
  2. Katalytisches Wandstrommonolithfilter nach Anspruch 1, wobei der zweite SCR-Katalysator lediglich in der Schicht vorhanden ist, die die Oberflächen des porösen Substrats in der zweiten Zone bedeckt.
  3. Katalytisches Wandstrommonolithfilter nach Anspruch 1, wobei der zweite SCR-Katalysator in der Schicht, die die Oberflächen des porösen Substrats in der zweiten Zone bedeckt, und in dem gesamten oder einem Bereich des porösen Substrats in der zweiten Zone vorhanden ist.
  4. Katalytisches Wandstrommonolithfilter nach Anspruch 3, wobei der zweite SCR-Katalysator in der Schicht, die die Oberflächen des porösen Substrats in der zweiten Zone bedeckt, und in dem gesamten porösen Substrat in der zweiten Zone vorhanden ist.
  5. Katalytisches Wandstrommonolithfilter nach Anspruch 3, wobei der zweite SCR-Katalysator in der Schicht, die die Oberflächen in der zweiten Zone des porösen Substrats bedeckt, und in einem Bereich des porösen Substrats in der zweiten Zone vorhanden ist.
  6. Katalytisches Wandstrommonolithfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der ersten Zone der erste SCR-Katalysator eine Oberfläche der ersten oder der zweiten Vielzahl von Kanälen nicht bedeckt.
  7. Katalytisches Wandstrommonolithfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste SCR-Katalysator der gleiche wie der zweite SCR-Katalysator ist.
  8. Katalytisches Wandstrommonolithfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite SCR-Katalysator von dem zweiten SCR-Katalysator verschieden ist.
  9. Katalytisches Wandstrommonolithfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens einer des ersten SCR-Katalysators und des zweiten SCR-Katalysators ein kleinporiges Molekularsieb, vorzugsweise einen Zeolith, ein mittelporiges Molekularsieb, vorzugsweise einen Zeolith, ein großporiges Molekularsieb, vorzugsweise einen Zeolith, oder ein unedles Metall umfasst.
  10. Katalytisches Wandstrommonolithfilter nach Anspruch 9, wobei das kleinporige Molekularsieb eine Gerüststruktur aufweist, die unabhängig aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus AEI, AFT, CHA, DDR, EAB, ERI, GIS, GOO, KFI, LEV, LTA, MER, PAU, VNI und YUG, vorzugsweise AEI, CHA und LTA, besteht.
  11. Katalytisches Wandstrommonolithfilter nach Anspruch 9, wobei mindestens einer des ersten SCR-Katalysators und des zweiten SCR-Katalysators Kupfer-Beta-Zeolith umfasst.
  12. Katalytisches Wandstrommonolithfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei mindestens einer des ersten SCR-Katalysators und des zweiten SCR-Katalysators mit W imprägniertes CeO2, mit W imprägniertes CeZrO2 und mit Fe und W imprägniertes ZrO2 umfasst.
  13. Katalytisches Wandstrommonolithfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste SCR-Katalysator ein kleinporiges Molekularsieb umfasst, das vorzugsweise eine Gerüststruktur aufweist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus AEI-, AFT-, CHA-, DDR-, EAB-, ERI-, GIS-, GOO-, KFI-, LEV-, LTA-, MER-, PAU-, VNI- und YUG-Strukturfamilien, bevorzugter AEI, CHA und LTA, besteht.
  14. Katalytisches Wandstrommonolithfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite SCR-Katalysator ein großporiges Molekularsieb, vorzugsweise ein Kupfer-Beta-Zeolith, oder ein Nicht-Zeolith-Material, das aus mit W imprägniertem CeO2, mit W imprägniertem CeZrO2 oder mit Fe und W imprägniertem ZrO2 ausgewählt ist, ist.
  15. Katalytisches Wandstrommonolithfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verhältnis einer Länge der zweiten Zone zu einer Länge der ersten Zone in der Längsrichtung von 1:20 bis 1:5, vorzugsweise etwa 1:9, beträgt.
  16. Katalytisches Wandstrommonolithfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der zweite SCR-Katalysator in einem Anteil von etwa 10 % bis etwa 50 %, etwa 10 % bis etwa 45 %, etwa 10 % bis etwa 40 %, etwa 10 % bis etwa 35 %, etwa 10 % bis etwa 30 %, etwa 10 % bis etwa 25 % oder etwa 10 % bis etwa 20 % der Länge des Monolithsubstrats vorhanden ist.
  17. Katalytisches Wandstrommonolithfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Oxidationskatalysator ein Edelmetall, vorzugsweise Platin, Palladium oder eine Kombination hiervon umfasst.
  18. Katalytisches Wandstrommonolithfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Filter eine Zelldichte von 100 cpsi bis 600 cpsi (15,5 cpscm bis 93 cpscm) aufweist.
  19. Katalytisches Wandstrommonolithfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mittlere minimale Dicke des Substrats zwischen benachbarten Kanälen von 6 bis 20 mil (0,015 bis 0,05 cm) beträgt.
  20. Katalytisches Wandstrommonolithfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite SCR-Katalysator in der zweiten Zone die Wände der zweiten Vielzahl von Kanälen in Form einer Beschichtung, die eine Dicke von zwischen 10 µm und einschließlich 80 µm aufweist, bedeckt.
  21. Katalytisches Wandstrommonolithfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das des Weiteren eine dritte Zone umfasst, die sich zwischen der ersten Zone und der zweiten Zone befindet, wobei die dritte Zone den ersten SCR-Katalysator, der durch das poröse Substrat hindurch verteilt ist, und den zweiten SCR-Katalysator, der sich in einer die Oberfläche des porösen Substrats bedeckenden Schicht befindet und nicht durch das poröse Substrat hindurch verteilt ist, umfasst.
  22. Katalytisches Wandstrommonolithfilter nach Anspruch 21, wobei die dritte Zone eine Länge von bis zu 10 %, vorzugsweise bis zu 5 % der Länge des Monolithsubstrats aufweist.
  23. Katalytisches Wandstrommonolithfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner eine Lücke zwischen mindestens einem Bereich von: (a) der ersten Zone und der zweiten Zone; (b) der ersten Zone und der dritten Zone; oder (c) der dritten Zone und der zweiten Zone umfasst.
  24. Katalytisches Wandstrommonolithfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei keine Lücke zwischen mindestens einem Bereich von: (a) der ersten Zone und der zweiten Zone; (b) der ersten Zone und der dritten Zone; oder (c) der dritten Zone und der zweiten Zone vorhanden ist.
  25. Katalytisches Wandstrommonolithfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der katalytische Wandstrommonolith mindestens eines von einer verbesserten NOx-Umwandlung und einer verringerten N2O-Bildung im Vergleich zu einem Wandstromfilter, das den zweiten SCR-Katalysator in Form einer Beschichtung in der zweiten Zone nicht aufweist, liefert.
  26. Emissionsbehandlungssystem zum Behandeln eines Stroms eines Verbrennungsabgases, wobei das System das katalytische Wandstrommonolithfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin sich die erste Endfläche stromauf der zweiten Endfläche befindet, umfasst.
  27. Emissionsbehandlungssystem nach Anspruch 26, wobei das System mindestens eines von einer verbesserten NOx-Umwandlung und einer verringerten N2O-Bildung im Vergleich zu einem Wandstromfilter, das den zweiten SCR-Katalysator in Form einer Beschichtung in der zweiten Zone nicht aufweist, liefert.
  28. Verfahren zur Herstellung eines katalytischen Wandstrommonolithfilters nach einem der Ansprüche 1 bis 25, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: (a) Bereitstellen eines porösen Substrats, dass eine erste Endfläche und eine zweite Endfläche, die eine Längsrichtung dazwischen definieren, und eine erste und eine zweite Vielzahl von Kanälen, die sich in der Längsrichtung erstrecken, aufweist, wobei die erste Vielzahl von Kanälen an der ersten Endfläche offen und an der zweiten Endfläche geschlossen ist, und wobei die zweite Vielzahl von Kanälen an der zweiten Endfläche offen und an der ersten Endfläche geschlossen ist; (b) Ausbilden einer ersten Zone durch selektives Infiltrieren des porösen Substrats mit einem Washcoat, der den ersten SCR-Katalysator umfasst, (c) Ausbilden des Bereichs der zweiten Zone, die den Ammoniakoxidationskatalysator umfasst, durch selektives Infiltrieren des porösen Substrats mit einem einen Ammoniakoxidationskatalysator umfassenden Washcoat, und (d) Ausbilden einer Beschichtung eines zweiten SCR-Katalysators über dem Ammoniakoxidationskatalysator in der zweiten Zone, wobei die Wände der zweiten Vielzahl von Kanälen durch die Beschichtung bedeckt sind, wobei Stufe (b) vor Stufe (c) durchgeführt werden kann oder Stufe (c) vor Stufe (b) durchgeführt werden kann.
  29. Verfahren zum Behandeln eines NOx umfassenden Verbrennungsabgasstroms, wobei das Verfahren ein Führen des Abgasstroms durch den Monolith nach einem der Ansprüche 1 bis 25, wobei sich die erste Endfläche stromauf der zweiten Endfläche befindet, umfasst.
  30. Verfahren nach Anspruch 29, wobei mindestens eines von einer verbesserten NOx-Umwandlung und einer verringerten N2O-Bildung im Vergleich zu einem Wandstromfilter, das den zweiten SCR-Katalysator in Form einer Beschichtung in der zweiten Zone nicht aufweist, erreicht wird.
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