專利名稱：：多孔金屬間化合物-陶瓷催化劑載體及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種催化劑載體及其制備方法，尤其是用于內(nèi)燃機(jī)尾氣凈化器或過(guò)濾材料的催化劑載體及其制備方法，屬于材料合成與加工領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：汽車尾氣凈化器是汽車尾氣排放的控制單元，其性能的好壞直接決定尾氣的過(guò)濾效果。在凈化器中起凈化作用的是三元催化劑，而催化劑是附著在各種載體上，載體的性能、形式直接影響到催化轉(zhuǎn)化效果。因此，催化劑載體是汽車尾氣凈化器的關(guān)鍵部件。目前，汽車尾部?jī)艋鬏d體主要是陶瓷和金屬兩類，陶瓷載體的熱穩(wěn)定性好，但脆性大，經(jīng)常因劇烈的震動(dòng)和熱沖擊而破碎，從而失去凈化功能，并造成排氣堵塞，而且陶瓷載體的熱容量大，使附著的催化劑在汽車?yán)鋯?dòng)時(shí)催化轉(zhuǎn)化效果差金屬載體強(qiáng)度高，導(dǎo)熱性好，但耐熱性差，熱脹系數(shù)大，且制造工藝復(fù)雜，價(jià)格昂貴。金屬間化合物材料的性能介于金屬和陶瓷之間，綜合了金屬的強(qiáng)韌性、高導(dǎo)電導(dǎo)熱性和陶瓷的熱穩(wěn)定性、耐高溫性，具有高溫結(jié)構(gòu)材料所期望的優(yōu)異性能，填補(bǔ)了高溫合金和陶瓷之間使用溫度的空白。其中具有代表性的Ni-Al、Ti-Al、Fe-Al、Ni-Ti系金屬間化合物，具有密度低、高溫比強(qiáng)度和比剛度高、抗氧化和抗腐蝕性能好等特點(diǎn)，因而被用作航空航天領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)件和耐高溫涂層。將金屬間化合物材料做成多孔狀，用作機(jī)動(dòng)車尾氣凈化器載體，不僅能滿足載體的強(qiáng)韌性、耐熱沖擊性和熱穩(wěn)定性要求，而且由于金屬間化合物具有極高的熱導(dǎo)率，能極大地促進(jìn)機(jī)動(dòng)車?yán)鋯?dòng)排氣污染物的催化轉(zhuǎn)化效率。用于柴油車排氣微粒捕集器過(guò)濾體，既能滿足過(guò)濾體的機(jī)械強(qiáng)度和抗熱振性能，又能解決過(guò)濾體再生時(shí)的熱疲勞損壞難題，保證使用壽命，這對(duì)柴油車排氣后處理技術(shù)的實(shí)用化具有重要意義。中國(guó)專利公開(kāi)號(hào)CN1584083(申請(qǐng)?zhí)?200410046492.4)2005年2月23曰公開(kāi)了一種Ni-AI金屬間化合物多孔材料及其制備工藝。中國(guó)專利公開(kāi)號(hào)CN1640529(申請(qǐng)?zhí)?00410003039.5)2005年7月20日公開(kāi)了一種鈦、鋁元素粉末反應(yīng)合成制備鈦鋁金屬間化合物過(guò)濾膜的方法。中國(guó)專利公開(kāi)號(hào)CN1651143(申請(qǐng)?zhí)?00410100948.0)2005年8月10曰公開(kāi)了一種導(dǎo)電型蜂窩陶瓷催化劑載體及其制備方法。它是以Ti02或Ti、C、Al為原料，加入有機(jī)粘接劑后擠壓形成蜂窩型陶胚，預(yù)熱后用電火花或激光束點(diǎn)燃自蔓延高溫合成反應(yīng)，得到Al203/TiC導(dǎo)電型復(fù)相陶瓷催化劑載體。俄羅斯專利RuNo.2060927提出了利用Ni、Ti粉末反應(yīng)原位合成多孔Ni-Ti金屬間化合物的方法。以上發(fā)明專利存在下列缺點(diǎn)①均為純粹的金屬間化合物材料或陶瓷材料，很難滿足汽車尾氣凈化器載體的高溫強(qiáng)度及抗熱振性和機(jī)械振動(dòng)性要求；②多孔材料孔隙率低，如增大孔隙率，強(qiáng)度則大大降低，因而汽車尾氣通過(guò)時(shí)背壓大，催化轉(zhuǎn)化效果差。③采用電火花或者小功率的激光束引燃自蔓延反應(yīng)，合成多孔材料的成功率低，質(zhì)量難以控制，若采用大功率的激光束，設(shè)備成本高，維護(hù)維修費(fèi)用高。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有純金屬間化合物或陶瓷材料的催化劑載體性能的不足，提供一種由金屬間化合物和陶瓷材料合成的多孔催化劑載體及制備方法。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的多孔催化劑載體是在NiAl、NiTi、TiAl金屬間化合物組成的基體中彌散分布有Ti02和八1203顆粒；這種多孔催化劑載體的孔隙率為57.8-75.2%，600。C強(qiáng)度為58.4-83.6Mpa，導(dǎo)熱率大于40Wnf1k一1。本發(fā)明的多孔催化劑載體是由以下方法制備的(1)備好工業(yè)純Ni、Al、TiH2、AU)3粉末，其中Ni、TiH2、AU)3粉末的粒度均為200-400目，Al粉粒度為100-200目，對(duì)粉末分別過(guò)篩，各原料組分的質(zhì)量百分比分別為Ni48.6-63.7%Al16.2-21.3%TiH26.3-16.7%A12038.7-18.5%在這種反應(yīng)體系里，Ni、Al是反應(yīng)劑，TiH2既是反應(yīng)劑又是造孔劑，A120:(為添加劑。(2)將上述稱量完畢的各種粉末先干法均勻混合，然后再加入4-9%的無(wú)水乙醇濕法混合成泥狀混合物。(3)采用模壓成型方法，將上述泥狀混合物制成①50-100,、高100-150腿的圓柱形壓胚，再將壓胚在100°C—150。C范圍內(nèi)烘干4-8小時(shí)，使乙醇完全揮發(fā)一(4)將壓胚放入300-45(TC的加熱爐中，預(yù)熱O.5小時(shí)。(5)開(kāi)啟能量束點(diǎn)火裝置進(jìn)行自蔓延高溫合成反應(yīng)，冷卻后得到MA1+NiTi+TiA1/A1203+Ti02金屬間化合物/陶瓷催化劑載體。(6)切去端部，即得到催化劑載體成品。上述的能量束為等離子束，等離子束電流為100A-150A，電壓為40V-50V，束柱直徑為①5-10mm,自蔓延高溫合成反應(yīng)波蔓延速度為5-15cm/s。本發(fā)明的原位反應(yīng)式和合成原理是Ni+Al+TiH2+Al203+02—MA1+NiTi+TiA1+H20T+A1203+Ti02通過(guò)預(yù)熱和等離子束點(diǎn)火，反應(yīng)物壓胚中的TiH2迅速大量分解為Ti和H2，Ti和H2燃燒放出大量的熱引發(fā)Ni與Al、Ni與Ti、Ti與Al之間的反應(yīng)，生成的NiAl+NiTi+TiAl金屬間化合物達(dá)到半熔化狀態(tài)，與添加的A1203和燃燒生成的Ti02顆粒達(dá)到冶金結(jié)合。因反應(yīng)過(guò)程迅速，冷卻速度快，無(wú)論是多孔復(fù)合材料基體中的NiAl、NiTi、TiAl金屬間化合物相，還是先行獲得的Ti02相，晶粒皆來(lái)不及長(zhǎng)大，TiO2相顆粒尺寸為50-500nm，TiO2和A1203顆粒彌散分布于NiAl、MTi、TiAl金屬間化合物組成的基體中，提高了強(qiáng)度和硬度。由于本發(fā)明采用了上述的技術(shù)方案，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和積極效果1、利用化學(xué)反應(yīng)原位合成多孔的NiAl+NiTi+TiAl/Al203+Ti02金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料載體2、合成的催化劑載體內(nèi)部的孔洞形貌是三維立體連通的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，具有大的比表面積；同時(shí)因?yàn)榭妆诜植技{米Ti02，比表面積和表面活性進(jìn)一步增大，尾氣與催化劑充分接觸，有利于尾氣的催化轉(zhuǎn)化和柴油車微粒捕集；3、通過(guò)改變反應(yīng)體系的配比、工藝參數(shù)，可以獲得孔隙率為57.8-75.2%，60(TC強(qiáng)度為58.4-83.6Mpa,導(dǎo)熱率大于40Wm1k—1，導(dǎo)電性接近于金屬的催化劑載體。4、利用等離子束點(diǎn)火，既提高成品率，又減少設(shè)備投資，降低生產(chǎn)成本，且無(wú)環(huán)境污染。本發(fā)明的多孔催化劑載體具有十分廣闊的應(yīng)用范圍。首先應(yīng)用于汽車尾氣凈化催化劑載體，接近于金屬的導(dǎo)電導(dǎo)熱性，有利于汽車?yán)鋯?dòng)時(shí)，尾氣的瞬時(shí)催化轉(zhuǎn)化。應(yīng)用于柴油車微粒捕集器，可減少再生加熱時(shí)的熱應(yīng)力和熱疲勞損壞，延長(zhǎng)微粒捕集器的工作壽命。本發(fā)明還可應(yīng)用于化工行業(yè)或環(huán)保行業(yè)污水過(guò)濾凈化、冶金行業(yè)熱交換器等多種液體的過(guò)濾。當(dāng)液體通過(guò)多孔材料時(shí)，借助于其內(nèi)部的三維孔結(jié)構(gòu)，紊流可以被轉(zhuǎn)換成非常穩(wěn)定的層流，從而有利于濾雜和排氣。圖l一圖3是本發(fā)明多孔催化劑載體微觀形貌圖；具體實(shí)施方式下面通過(guò)附圖和具體實(shí)施例可以進(jìn)一步了解本發(fā)明。從圖1可以看出，本發(fā)明多孔催化劑載體微觀結(jié)構(gòu)為三維立體交錯(cuò)連通孔洞狀；從圖和圖3可以看出，本發(fā)明多孔催化劑載體是在金屬間化合物基體中分布白色納米Ti02顆粒和A1A顆粒。實(shí)施例1:備好工業(yè)純Ni、Al、TiH2、Al203粉末，其中Ni、TiH2、A1A粉末的粒度均為200目，而Al粉粒度為100目，對(duì)粉末分別過(guò)篩，將上述粉末按照Ni:Al:TiH2:A1203=63.7%:21.3%:618.7%的質(zhì)量比稱量并干法混合，后加入4%的無(wú)水乙醇，濕法混合成泥狀。采用模壓成型方法，將泥狀混合物制得直徑①50mm,高100mm的圓柱形壓胚。將壓胚在100。C烘干4-8小時(shí)，使乙醇完全揮發(fā)掉。再將壓胚放入30(TC的加熱爐中，預(yù)熱0.5小時(shí)。開(kāi)啟等離子束點(diǎn)火裝置，調(diào)整等離子束電流100A，電壓40V，束柱直徑①5mm。用等離子束引發(fā)自蔓延高溫合成反應(yīng)，反應(yīng)完畢即得到NiAl+NiTi+TiA1/A1203+Ti02金屬間化合物/陶瓷催化劑載體，產(chǎn)品性能如表l。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>實(shí)施例2按原料的配比為Ni:Al:TiH2:A1203=56.2%:18.7%:11.7%:13.4%的質(zhì)量比稱量干法混合，加入6°/。的無(wú)水乙醇濕法混合成泥狀，其他過(guò)程同實(shí)施例l。制得產(chǎn)品性能如表2。表2原料配比(wt%)Ni56.2%Al18.7%TiH11.7%A120313.4%產(chǎn)品物相NiAl+A1203+NiTi+TiAl+Ti02孔隙率66.3%600。C強(qiáng)度(Mpa)71.8200。C導(dǎo)熱率(Wm—1k"，)43.3實(shí)施例3按原料的配比改為Ni:Al:TiH2:A1A=48.6%:16.2%:16.7%:18.5%的質(zhì)量比稱量干法混合，加入9%的無(wú)水乙醇濕法混合成泥狀，其他過(guò)程同實(shí)施例1。制得產(chǎn)品性能如表3。表3原料配比(wt%)Ni48.6%Al16.2%TiH16.7%A1A18.5%產(chǎn)品物相MA1+A1203+NiTi+TiAl+Ti02孔隙率75.2%60(TC強(qiáng)度(Mpa)58.4200。C導(dǎo)熱率(Wm—、k、)40.7實(shí)施例4取工業(yè)純Ni、Al、TiH2、Al203粉末，其中Ni、TiH2、Al^粉末的粒度均為400目，而A1粉粒度為200目，對(duì)粉末分別過(guò)篩，將上述粉末按照Ni:Al:TiH2:A1203=63.7%:21.3%:6.3%:8.7%的質(zhì)量比稱量并干法混合，后加入4%的無(wú)水乙醇，濕法混合成泥狀。采用模壓成型方法，將泥狀混合物制得直徑①500,，高100mm的圓柱形壓胚。將壓胚在IO(TC烘干4-8小時(shí)，使乙醇完全揮發(fā)掉。再將壓胚放入45(TC的加熱爐中，預(yù)熱0.5小時(shí)。開(kāi)啟等離子束點(diǎn)火裝置，調(diào)整等離子束電流150A，電壓50V，束柱直徑①10mm。用等離子束引發(fā)自蔓延高溫合成反應(yīng)，反應(yīng)完畢即得到1^六1+NiTi+TiAl/Al203+Ti02金屬間化合物/陶瓷催化劑載體，產(chǎn)品性能如表4。表4<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>實(shí)施例5實(shí)施步驟同實(shí)施例4，不同的是將壓胚尺寸改為直徑①100mra，高150ram，濕法混合時(shí)加入6。/。的無(wú)水乙醇。產(chǎn)品性能如表5。表5<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>從表l一表5可以看出，本發(fā)明的多孔催化劑載體獲得孔隙率為57.8-75.2%，60(TC強(qiáng)度為58.4-83.6Mpa，導(dǎo)熱率大于40Wm—1k_1。本發(fā)明的多孔催化劑載體具有以下突出的特點(diǎn)①利用反應(yīng)合成技術(shù)與模壓成型技術(shù)相結(jié)合，獲得帶有三維立體交錯(cuò)連通微孔的催化劑載體，如圖1、2所示。②因?yàn)榭椎狼?，孔壁和基體中分布納米Ti02，比表面積和表面活性進(jìn)一步增大，尾氣與催化劑充分接觸，有利于尾氣的催化轉(zhuǎn)化和柴油車微粒捕集，如圖3所示；③通過(guò)調(diào)整原料配比和工藝參數(shù)，可以獲得孔隙率57.8-75.2%，600°C6297強(qiáng)度為58.4-83.6Mpa，導(dǎo)熱率大于40W'm+k-1,導(dǎo)電性接近于金屬的催化劑載體。權(quán)利要求1.一種多孔金屬間化合物-陶瓷催化劑載體，其特征是，它是在NiAl、NiTi、TiAl金屬間化合物組成的基體中彌散分布有TiO2和Al2O3顆粒，這種多孔催化劑載體的孔隙率為57.8-75.2％，600℃強(qiáng)度為58.4-83.6Mpa，導(dǎo)熱率大于40W·m-1·k-1。2、如權(quán)利要求1所述的多孔金屬間化合物一陶瓷催化劑載體，其特征是，它的微觀結(jié)構(gòu)為三維立體交錯(cuò)連通孔洞狀。3、一種如權(quán)利要求1所述的催化劑載體的制備方法，其特征是，其制備步驟如下(1)備好工業(yè)純Ni、Al、TiH2、Al203粉末，其中Ni、TiH2、八1203粉末的粒度均為200-400目，Al粉粒度為100-200目，對(duì)粉末分別過(guò)篩，各原料組分的質(zhì)量百分比分別為Ni48.6-63.7%Al16.2-21.3%TiH26.3-16.7%A12038.7-18.5%在這種反應(yīng)體系里，Ni、Al是反應(yīng)劑，TiH2既是反應(yīng)劑又是造孔劑，A1203為添加劑；(2)將上述稱量完畢的各種粉末先干法均勻混合，然后再加入4-9%的無(wú)水乙醇濕法混合成泥狀混合物；(3)采用模壓成型方法，將上述泥狀混合物制成050-100mm、高100-150誦的圓柱形壓胚，再將壓胚在100°C—150。C范圍內(nèi)烘干4-8小時(shí)，使乙醇完全揮發(fā)；(4)將壓胚放入300-45(TC的加熱爐中，預(yù)熱0.5小時(shí)；(5)開(kāi)啟能量束點(diǎn)火裝置進(jìn)行自蔓延高溫合成反應(yīng)，冷卻后得到NiAl+NiTi+TiA1/A1203+Ti02金屬間化合物/陶瓷催化劑載體；(6)切去端部，即得到催化劑載體成品。4、如權(quán)利要求1所述的多孔金屬間化合物一陶瓷催化劑載體的制備方法，，其特征是，所述的能量束為等離子束，等離子束電流為100A-150A,電壓為40V-50V，束柱直徑為O5-10mm，自蔓延高溫合成反應(yīng)波蔓延速度為5-15cm/s。5、如權(quán)利要求1所述的多孔金屬間化合物一陶瓷催化劑載體在汽車尾氣凈化器、污水過(guò)濾凈化器或冶金行業(yè)熱交換器中的應(yīng)用。全文摘要本發(fā)明公開(kāi)了一種多孔金屬間化合物—陶瓷催化劑載體，它是以工業(yè)純Ni、Al、TiH₂、Al₂O₃粉末為原料，加入乙醇濕法混合，通過(guò)自蔓延高溫合成反應(yīng)形成的在NiAl、NiTi、TiAl金屬間化合物組成的基體中彌散分布有TiO₂和Al₂O₃顆粒的復(fù)合材料。本發(fā)明的多孔催化劑載體主要用于汽車尾氣凈化器、污水過(guò)濾凈化器或冶金行業(yè)熱交換器中。文檔編號(hào)B01J32/00GK101301630SQ200810138309公開(kāi)日2008年11月12日申請(qǐng)日期2008年7月8日優(yōu)先權(quán)日2008年7月8日發(fā)明者杰吳,崔洪芝申請(qǐng)人:山東科技大學(xué)