铈基、镧基稀土催化剂催化燃烧柴油炭烟颗粒的研究进展

随着环保法规的日益严格和人们环保意识的提高,柴油车尾气污染物中的炭烟颗粒对环境的严重污染引起了人们广泛的关注。作为炭烟颗粒排出柴油机的最后一道处理技术,催化净化技术是目前控制柴油车尾气炭烟颗粒排放使用最有效和应用最广泛的技术手段。因而,开发高效的催化剂是催化净化技术最关键和最重要的因素。总结了近年来Ce基、La基稀土催化剂材料,包括:纳米颗粒、不同晶面、纤维状、三维有序大孔结构等不同形貌的Ce基催化剂以及La基钙(类钙)钛矿催化剂对炭烟颗粒催化燃烧的最新研究进展;并对比报道了Ce基和La基催化剂对炭烟燃烧的反应机制。最后,总结性地提出了目前有关稀土基催化剂在炭烟催化燃烧中存在的问题和未来的发展趋势。     

松散接触下 Au-Ce强相互作用对 Au/CeO2/3DOM Al2O3催化剂催化柴油炭烟燃烧活性的影响

与汽油发动机相比,柴油发动机具有热效率高、CO2排放低、寿命长、续航距离远和经济性好等优点,可大大缓解能源短缺,降低 CO2排放量.因此,机动车柴油化是当前发展趋势.然而,柴油发动机在使用过程中会排放大量炭烟颗粒物,对人体危害极大.因此,控制炭烟颗粒排放成为环境催化研究的重点之一.
　　炭烟颗粒物催化燃烧反应是典型的固(炭烟颗粒)-固(催化剂)-气(O2)多相催化反应.三维有序大孔氧化物(3DOM)具有大孔径和内部贯通的孔道结构,能有效提高炭烟颗粒与催化活性中心的接触性能.同时,纳米 Au颗粒在大孔氧化物表面的负载可有效提高催化剂本征活性,但纳米 Au颗粒催化剂热稳定性较差. CeO2具有较好的储放氧性能,可与贵金属活性组分发生相互作用,从而提高贵金属纳米颗粒的分散度和稳定性.因此,本文从柴油炭烟颗粒物催化燃烧反应本质出发,设计制备了高炭烟燃烧催化活性的3DOM氧化物担载 Au基催化剂,研究了 Au与 CeO2强相互作用对炭烟燃烧活性的影响.
　　采用胶体晶体模板法制备3DOM Al2O3载体,由微孔膜氨沉淀法制备 CeO2/3DOM Al2O3催化剂,以还原-沉积法制备 Au/3DOM Al2O3和 Au/CeO2/3DOM Al2O3催化剂,并利用扫描电镜、N2物理吸附-脱附、X射线衍射、透射电镜、紫外漫反射光谱、H2程序升温还原和 X射线光电子能谱等手段对催化剂形貌、比表面积、物理化学性质和氧化还原性进行了表征.结果表明,在 CeO2/3DOM Al2O3中, Al3+可进入到氧化铈晶格内,形成 Al-Ce-O固溶体,产生氧空位,这有利于氧物种转移.此外, Au/CeO2/3DOM Al2O3催化剂中 Au和 CeO2之间的强相互作用能增加 Au纳米颗粒表面活性氧物种数量,从而促进柴油炭烟燃烧反应.纳米颗粒 Au的担载使得催化柴油炭烟燃烧的起燃温度明显降低,其中 Au/CeO2/3DOM Al2O3催化剂表现出最高的催化活性,T10,T50和T90分别为273,364和412oC.     

三维有序大孔钙钛矿型La1–xKxNiO3催化剂提高炭烟催化燃烧活性:K取代的作用

催化炭烟燃烧的本质是典型的固体(炭烟颗粒)-固体(催化剂)-气体(O_2和NO)三相深度氧化反应.因此炭烟燃烧性能不仅与催化剂的本征活性有关,同时也与催化剂和炭烟颗粒之间的接触效率有关.钙钛矿型(ABO_3)氧化物具有高热稳定性和高催化活性,在钙钛矿型氧化物中A位通常为稀土元素,B位通常为过渡金属元素,钙钛矿的A,B位离子都可以被半径相近的其他元素部分取代,而且物相结构不发生变化.我们组前期研究发现,用碱金属部分取代钙钛矿型氧化物中的A位,可以有效提高其催化活性.同时发现三维有序大孔(3DOM)结构可以有效的增加催化剂与碳烟颗粒的接触效率.基于此,本文利用胶体晶体模板法成功制备了3DOM La_(1-x)K_xNiO_3钙钛矿型催化剂,并采用SEM,TEM,HRTEM,Elements mapping,XRD,Raman,XPS和H_2-TPR等手段对其物理化学性能进行了表征,进一步探讨K取代对3DOM La_(1–x)K_xNiO_3催化剂炭烟催化燃烧性能的影响.SEM和TEM照片显示,制备的3DOM La_(1–x)K_xNiO_3催化剂孔道三维有序贯通,孔径均一,孔壁厚度均匀,每个大孔下面展示清晰可见的小孔窗,大孔孔径大约为260 nm,这有利于炭烟颗粒在气流的协助下进入催化剂的孔道之内,从而提高炭烟与催化剂之间的接触效率.3DOM结构催化剂具有大的比表面积(24?27 m~2g~(–1)),且K的取代对其比表面积无太大的影响.XRD和Raman谱证实了催化剂的钙钛矿结构,且K能够取代La并进入钙钛矿氧化物的晶格中.XPS和H_2-TPR表征发现,K取代La之后,B位的Ni元素的价态有所提升,表面活性氧物种密度增加,其中3DOM La_(0.95)K_(0.05)NiO_3催化剂具有最高的Ni~(4+)的含量和活性氧含量.3DOM La_(1–x)K_xNiO_3催化剂展示了高的炭烟燃烧催化性能,且K的取代能够明显促进其催化炭烟燃烧活性.在松散接触条件下,催化剂炭烟催化燃烧活性的顺序为:3DOM La_(0.95)K_(0.05)NiO_33DOM La_(0.90)K_(0.10)NiO_33DOM La_(0.80)K_(0.20)NiO_33DOM La_(0.99)K_(0.01)NiO_33DOM LaNiO_3particle–type LaNiO_3.其中,3DOM La_(0.95)K_(0.05)NiO_3催化剂展示了最高的炭烟燃烧催化性能,其T_(50)和S_(CO2)值分别为338°C和98.2%,这与Pt基催化剂活性相当.另外,对炭烟催化燃烧性能的影响因素进行了探讨:一方面,三维有序大孔结构有效提高催化剂活性;另一方面,K元素的取代提高了Ni的价态,从而提升了表面活性氧物种数量,这对炭烟催化燃烧起着至关重要的作用.     

三维有序大孔二氧化钛表面超细钯纳米颗粒的构筑及其增强柴油炭烟催化燃烧性能（英文）

柴油机排放颗粒物(主要成分是炭烟)是城市大气PM2.5中一次颗粒物的主要来源和二次颗粒物形成的重要组分,严重危害大气环境和人类健康.利用颗粒物捕集器与催化剂相结合的连续过滤再生技术是满足柴油车国VI炭烟颗粒物排放标准的最有效技术,目前该技术所面临的挑战是研发在排气温度的柴油炭烟颗粒物催化氧化催化剂.柴油炭烟催化燃烧反应的本质是典型的气(氧气)-固(炭烟颗粒)-固(催化剂)三相深度氧化反应,因此我们研究组提出了高活性柴油炭烟燃烧催化剂设计应该遵循优化固-固接触与强化活化分子氧能力二者相结合的研究思路.为满足此设计思路的要求,本课题组前期采用孔径大于200 nm的三维有序大孔(3DOM)结构氧化物作为载体,利用大孔效应来实现PM在催化剂内部的有效扩散,从而提高催化剂与PM的接触效率.采用具有强活化分子氧能力的负载型贵金属(Au,Pt)纳米颗粒或贵金属-氧化物复合纳米颗粒作为活性位来提高催化剂对分子氧的活化能力,进而设计了多个系列高活性催化剂,并形成了担载贵金属纳米颗粒的可控制备方法与装置.然而,Au和Pt昂贵的价格限制了其广泛应用.价格相对便宜的Pd具有与Pt相似的催化性能,是其良好替代品.但是,目前关于3DOM氧化物表面负载型Pd纳米颗粒结构和尺寸与柴油炭烟催化燃烧性能之间的相关研究仍然较少.基于此,本文采用气泡辅助膜还原法制备了3DOM二氧化钛(TiO_2)担载超细Pd纳米颗粒催化剂.利用XRD,Raman,BET,SEM,TEM,ICP,XPS和H2-TPR等技术手段对催化剂进行表征,并以模拟柴油炭烟为研究对象,利用程序升温氧化反应(TPO)对催化剂的活性进行评价,深入探讨了催化剂的制备、结构及物化性质与炭烟催化燃烧反应性能之间的关系.XRD和Raman结果表明,TiO_2载体由锐钛矿(主)和金红石(次)两种物相组成.SEM照片显示,所制催化剂为规整的有序大孔结构,球形孔互相贯通,孔径均一,大孔腔平均尺寸为280 nm,孔窗尺寸为109 nm,这种三维有序大孔TiO_2的结构能够增强炭烟颗粒与催化剂之间的接触效率.TEM表征显示,平均粒径为1.1 nm的超细半球型Pd纳米颗粒高度分散于TiO_2载体的内壁上,两者间的优化界面面积有利于增加活化O2的活性位密度,这些活性位源于Pd与TiO_2间强相互作用.H2-TPR和XPS表征印证了上述观点,具有1.1 nm超细Pd颗粒的Pd/3DOM-TiO_2催化剂表现出强的低温氧化还原特性和丰富的表面吸附氧物种.在TPO测试中,相对于担载5.0 nm Pd颗粒的催化剂,具有1.1 nm尺寸超细Pd颗粒的Pd/3DOM-TiO_2催化剂展示了高的催化炭烟燃烧活性,T10,T50和T90分别为295,370和415 oC,且在5次TPO测试过程中表现出良好的催化和结构稳定性.这种具有3DOM结构和超细Pd纳米颗粒的纳米催化剂能够有效降低Pd的使用量,在催化炭烟燃烧的实际应用中大有潜力.     

柴油车尾气排放PM2.5氧化消除催化剂的设计、制备与催化作用

柴油机尾气中的炭烟颗粒(PM2.5)已经引起了严重的环境污染问题,作为控制柴油车尾气中炭烟颗粒使用最有效和最经济的技术手段—催化净化技术成为当前研究的热点,而开发高效的催化剂是催化净化技术中最活跃、最重要的因素.本文总结了近年来柴油炭烟燃烧催化剂的最新研究进展,重点介绍了本研究组近年来在柴油炭烟氧化催化剂的设计、制备和催化作用机理方面的研究结果和进展,主要包括:低共熔点催化剂、纳米催化剂、三维有序大孔催化剂及三维有序大孔氧化物担载贵金属催化剂的最新研究进展,并报道了上述催化剂对炭烟燃烧的反应机理.最后,总结性地提出了目前炭烟催化燃烧中存在的主要问题和发展方向.     

铈基氧化物催化燃烧柴油机炭烟颗粒的性能及机理研究进展

随着环保法规的日益严格和人们环保意识的提高,柴油车尾气污染物中的炭烟颗粒对环境的严重污染引起了人们广泛的关注.利用催化净化技术实现炭烟颗粒的消除是目前最有效的途径之一,其中高活性催化剂的研发是决定该技术广泛应用的关键因素之一.近年来,铈基氧化物催化剂因其良好的氧化还原性能、适当的表面酸性以及较高的储/释氧容量而被广泛用于柴油机尾气炭烟颗粒的催化燃烧领域.研究铈基氧化物催化剂在炭烟催化燃烧反应高活性的本质,有助于了解炭烟颗粒催化燃烧过程的基本原理,为现有催化剂的优化和新型催化剂的设计提供科学指导.本文总结了近年来铈基氧化物催化剂材料在催化柴油机炭烟燃烧中的研究进展,主要包括单一氧化铈催化剂和稀土金属、过渡金属、碱(碱土)金属及贵金属改性的铈基氧化物催化剂.同时,对上述催化剂的反应机理进行了总结.最后,提出了铈基氧化物催化剂在催化柴油机炭烟燃烧中存在的问题并对其发展前景进行了展望.     

三维有序大孔SnO2基固溶体用于有效燃烧碳烟颗粒

柴油车尾气排放的碳烟颗粒对人类的生存环境和身体健康带来了严重危害.催化燃烧是消除碳烟颗粒污染的有效途径.碳烟颗粒催化燃烧是固-固-气相反应,因此催化剂本身具有活泼的氧中心且其能与碳烟颗粒有效接触是提高反应效率的关键因素.为改善碳烟颗粒与催化剂的接触,设计制备三维有序大孔(3DOM)催化剂,使碳烟颗粒可以进入催化剂孔道内部,增加其与催化剂的有效接触,是提高反应活性的有效途径.此外,在催化剂晶格中掺杂其它金属离子形成固溶体结构,可提高其氧化还原性能,也可有效提高其碳烟燃烧活性.SnO2富含活泼的表面缺位氧和可还原的晶格氧,且其熔点高达1630 oC,具有良好的热稳定性,被广泛用于制备气体传感、电化学和催化等材料.在过去的6年中,本课题组在SnO2催化化学领域做了大量系统的工作,将SnO2基催化材料用于多种环保和能源反应.发现通过其它阳离子Fe3+,Cr3+,Ta5+,Ce4+和Nb5+等的掺杂,替换晶格中部分Sn4+形成金红石型SnO2固溶体结构,可显著提高催化剂氧物种的流动性、活性和本身的热稳定性.本文采用胶体晶体模板法制备出了Ce4+,Mn3+和Cu2+离子掺杂的SnO2三维有序大孔固溶体催化剂用于松散接触条件下的碳烟催化燃烧.采用SEM,TEM,XRD,STEM-mapping,O2-TPD和XPS等手段对催化剂进行表征,研究其碳烟催化燃烧性能.SEM和TEM结果表明已成功合成三维有序大孔结构样品.XRD,Raman和STEM-mapping结果表明,Ce4+,Mn3+和Cu2+离子均进入四方金红石型SnO2晶格形成固溶体结构.另外,Raman,H2-TPR,XPS和O2-TPD等结果发现上述离子掺杂三维大孔SnO2后,催化剂表面形成了更活泼、丰富的氧物种,有利于碳烟颗粒燃烧.其中3DOM-Cu1Sn9催化剂具有最丰富的活泼氧中心,因此表现出最高的活性.     

Co0.2/Ce1-xZrxO2催化剂的制备、表征及其催化碳烟燃烧反应性能

 采用微孔扩散-共沉淀法制备了不同 Ce/Zr 摩尔比的 Ce1-xZrxO2 (x = 0, 0.2, 0.4, 0.5) 固溶体, 并以此为载体用超声波助分散等体积浸渍法制备了 Co0.2/Ce1-xZrxO2 催化剂, 考察了催化剂中 Ce/Zr 比对其催化柴油车尾气碳烟颗粒物燃烧反应性能的影响. 结果表明, 在催化剂与碳烟颗粒松散接触条件下, Co0.2/Ce1-xZrxO2 催化剂催化碳烟颗粒物燃烧的活性非常高. 其中 Co0.2/Ce0.8Zr0.2O2 催化剂活性最高, T10, T50, T90 和 SmCO2 分别为 316 oC, 385 oC, 413 oC 和 99.9%. 这与目前文献报道的松散接触条件下活性最高的担载 Pt 催化剂相近. 应用 X 射线衍射、透射电镜、扫描电镜、紫外-可见漫反射和傅里叶变换红外光谱技术对 Ce1-xZrxO2 固溶体及 Co0.2/Ce1-xZrxO2 催化剂进行了表征. 结果表明, Ce1-xZrxO2 固溶体由纳米级小颗粒组成 (平均粒径在 10 nm 左右). 适量的 Ce/Zr 比有利于改善立方尖晶石型 Co3O4 在 Ce1-xZrxO2 固溶体表面的分散, 从而提高催化剂活性. 程序升温还原结果表明, Co0.2/Ce0.8Zr0.2O2 催化剂具有最优的低温还原特性, 与它具有最高的催化活性相一致.     

CeO_2纳米层对多层载体x-CeO_2/3DOM Al_2O_3负载纳米Au催化剂催化柴油炭烟燃烧活性的影响（英文）

与汽油车相比,柴油车具有CO_2排放低、寿命长和经济性好等优点,所以近年来受到广泛关注并被大量使用.但是,柴油车在使用过程中会产生大量炭烟颗粒物(PM),对大气环境和人类健康造成很大威胁.因此,开展这方面的基础研究具有重要的科学意义及环境保护意义.催化柴油炭烟燃烧反应是一个气-固-固多相深度氧化反应,由于PM的粒径远大于传统催化剂,导致PM不能进入催化剂孔道内部,造成催化剂活性比表面积利用率较低.设计并制备大孔径的三维有序大孔结构(3DOM)的催化剂,能够减小反应扩散阻力,增加催化剂与炭烟颗粒物的有效接触,加快反应进行.另外,可以通过在3DOM氧化物表面担载其它活性组分,提高催化剂的氧化还原性能,进而提高其活性.CeO_2有很好的储放氧性能,在柴油车尾气净化催化剂中较为常见,但是单一的CeO_2热稳定性较差,高温下容易烧结,使得比表面积减小,并且失去储氧能力,造成催化剂失活.文献中较常见的解决办法是在CeO_2中掺杂其它阳离子,如Zr~(4+),Pr~(3+),Al~(3+),La~(3+)及Y~(3+)等离子,以提高CeO_2的抗高温烧结能力.此外,研究报道的催化剂对催化柴油炭烟颗粒物燃烧的峰值温度已经远低于炭烟颗粒物的自燃温度,但是对颗粒物的起燃温度仍普遍较高.我们前期研究结果表明,担载纳米Au颗粒催化剂能够显著降低炭烟燃烧的起燃温度.本文采用胶体晶体模板法制备了3DOM Al_2O_3载体,利用微孔膜-氨沉淀法担载不同量的活性组分CeO_2,制备出一种负载型x-CeO_2/3DOM Al_2O_3催化剂,它既可减少稀土元素用量,降低成本,又因为Al_2O_3的机械强度较高,还能保证催化剂的机械强度足够好.为了进一步降低催化剂催化炭烟燃烧的起燃温度,利用还原沉积法在多层载体x-CeO_2/3DOM Al_2O_3上负载纳米Au催化剂,制备出不同厚度的CeO_2纳米层负载Au催化剂(Au/x-CeO_2/3DOM Al_2O_3).利用X射线衍射、扫描电镜、透射电镜、H2程序升温还原和O2程序升温脱附等方法研究了催化剂的结构及物化性质与催化剂活性之间的关系,提出了消除PM反应的可能机理.结果表明,Al~(3+)离子能够部分进入到CeO2中,形成Al-Ce固溶体.由于Al离子半径小于Ce离子,Al3+掺杂后能引起CeO_2晶格发生畸变,产生大量缺陷,形成大量氧空位,促进晶格氧的移动,从而使催化剂具有更大的储放氧能力.在Au/x-CeO_2/3DOM Al_2O_3催化剂中,CeO_2担载量过高时,氧化铈纳米层较厚,活性组分容易烧结,不利于催化剂活性提高;而CeO_2担载量过低,则CeO_2纳米层较稀薄,催化剂的氧化还原性能受限,催化剂活性也不高.因此,CeO_2的担载量应适当.此外,Au和CeO_2之间的强相互作用能够增加Au纳米颗粒表面活性氧物种的数量,从而促进柴油炭烟燃烧反应.活性测试结果表明,担载纳米Au颗粒后,催化剂催化柴油炭烟燃烧的起燃温度均明显降低,在所制备的系列催化剂中Au/20%CeO_2/3DOM Al_2O_3催化剂展示了最高的催化活性,T_(10),T_(50)和T_(90)分别为267,372和426 oC.     

CeO2纳米层对多层载体x-CeO2/3DOM Al2O3负载纳米Au催化剂催化柴油炭烟燃烧活性的影响

与汽油车相比,柴油车具有CO2排放低、寿命长和经济性好等优点,所以近年来受到广泛关注并被大量使用.但是,柴油车在使用过程中会产生大量炭烟颗粒物(PM),对大气环境和人类健康造成很大威胁.因此,开展这方面的基础研究具有重要的科学意义及环境保护意义.催化柴油炭烟燃烧反应是一个气-固-固多相深度氧化反应,由于PM的粒径远大于传统催化剂,导致PM不能进入催化剂孔道内部,造成催化剂活性比表面积利用率较低.设计并制备大孔径的三维有序大孔结构(3DOM)的催化剂,能够减小反应扩散阻力,增加催化剂与炭烟颗粒物的有效接触,加快反应进行.另外,可以通过在3DOM氧化物表面担载其它活性组分,提高催化剂的氧化还原性能,进而提高其活性.CeO2有很好的储放氧性能,在柴油车尾气净化催化剂中较为常见,但是单一的CeO2热稳定性较差,高温下容易烧结,使得比表面积减小,并且失去储氧能力,造成催化剂失活.文献中较常见的解决办法是在CeO2中掺杂其它阳离子,如Zr4+,Pr3+,Al3+,La3+及Y3+等离子,以提高CeO2的抗高温烧结能力.此外,研究报道的催化剂对催化柴油炭烟颗粒物燃烧的峰值温度已经远低于炭烟颗粒物的自燃温度,但是对颗粒物的起燃温度仍普遍较高.我们前期研究结果表明,担载纳米Au颗粒催化剂能够显著降低炭烟燃烧的起燃温度.本文采用胶体晶体模板法制备了3DOM Al2O3载体,利用微孔膜-氨沉淀法担载不同量的活性组分CeO2,制备出一种负载型x-CeO2/3DOM Al2O3催化剂,它既可减少稀土元素用量,降低成本,又因为Al2O3的机械强度较高,还能保证催化剂的机械强度足够好.为了进一步降低催化剂催化炭烟燃烧的起燃温度,利用还原沉积法在多层载体x-CeO2/3DOM Al2O3上负载纳米Au催化剂,制备出不同厚度的CeO2纳米层负载Au催化剂(Au/x-CeO2/3DOM Al2O3).利用X射线衍射、扫描电镜、透射电镜、H2程序升温还原和O2程序升温脱附等方法研究了催化剂的结构及物化性质与催化剂活性之间的关系,提出了消除PM反应的可能机理.结果表明,Al3+离子能够部分进入到CeO2中,形成Al-Ce固溶体.由于Al离子半径小于Ce离子,Al3+掺杂后能引起CeO2晶格发生畸变,产生大量缺陷,形成大量氧空位,促进晶格氧的移动,从而使催化剂具有更大的储放氧能力.在Au/x-CeO2/3DOM Al2O3催化剂中,CeO2担载量过高时,氧化铈纳米层较厚,活性组分容易烧结,不利于催化剂活性提高;而CeO2担载量过低,则CeO2纳米层较稀薄,催化剂的氧化还原性能受限,催化剂活性也不高.因此,CeO2的担载量应适当.此外,Au和CeO2之间的强相互作用能够增加Au纳米颗粒表面活性氧物种的数量,从而促进柴油炭烟燃烧反应.活性测试结果表明,担载纳米Au颗粒后,催化剂催化柴油炭烟燃烧的起燃温度均明显降低,在所制备的系列催化剂中Au/20％CeO2/3DOM Al2O3催化剂展示了最高的催化活性,T10,T50和T90分别为267,372和426 oC.     

松散接触下Au-Ce强相互作用对Au/CeO_2/3DOM Al_2O_3催化剂催化柴油炭烟燃烧活性的影响（英文）

与汽油发动机相比,柴油发动机具有热效率高、CO_2排放低、寿命长、续航距离远和经济性好等优点,可大大缓解能源短缺,降低CO_2排放量.因此,机动车柴油化是当前发展趋势.然而,柴油发动机在使用过程中会排放大量炭烟颗粒物,对人体危害极大.因此,控制炭烟颗粒排放成为环境催化研究的重点之一.炭烟颗粒物催化燃烧反应是典型的固(炭烟颗粒)-固(催化剂)-气(O_2)多相催化反应.三维有序大孔氧化物(3DOM)具有大孔径和内部贯通的孔道结构,能有效提高炭烟颗粒与催化活性中心的接触性能.同时,纳米Au颗粒在大孔氧化物表面的负载可有效提高催化剂本征活性,但纳米Au颗粒催化剂热稳定性较差.CeO_2具有较好的储放氧性能,可与贵金属活性组分发生相互作用,从而提高贵金属纳米颗粒的分散度和稳定性.因此,本文从柴油炭烟颗粒物催化燃烧反应本质出发,设计制备了高炭烟燃烧催化活性的3DOM氧化物担载Au基催化剂,研究了Au与CeO_2强相互作用对炭烟燃烧活性的影响.采用胶体晶体模板法制备3DOM Al_2O_3载体,由微孔膜氨沉淀法制备CeO 2/3DOM Al_2O_3催化剂,以还原-沉积法制备Au/3DOM Al_2O_3和Au/CeO_2/3DOM Al_2O_3催化剂,并利用扫描电镜、N_2物理吸附-脱附、X射线衍射、透射电镜、紫外漫反射光谱、H_2程序升温还原和X射线光电子能谱等手段对催化剂形貌、比表面积、物理化学性质和氧化还原性进行了表征.结果表明,在CeO_2/3DOM Al_2O_3中,Al~(3+)可进入到氧化铈晶格内,形成Al-Ce-O固溶体,产生氧空位,这有利于氧物种转移.此外,Au/CeO_2/3DOM Al_2O_3催化剂中Au和CeO_2之间的强相互作用能增加Au纳米颗粒表面活性氧物种数量,从而促进柴油炭烟燃烧反应.纳米颗粒Au的担载使得催化柴油炭烟燃烧的起燃温度明显降低,其中Au/CeO_2/3DOM Al_2O_3催化剂表现出最高的催化活性,T_(10),T_(50)和T_(90)分别为273,364和412 ℃.     

介孔Al2O3负载PdO催化甲烷燃烧反应性能

采用浸渍法制备了介孔Al2O3(M-Al2O3)负载PdO催化剂,考察了其催化CH4燃烧反应性能.结果表明,以M-Al2O3为载体的PdO催化剂活性比普通Al2O3载体高得多,这很可能与M-Al2O3的孔道结构对PdO物种的限域作用有关.随着PdO/M-Al2O3催化剂焙烧温度的升高,甲烷催化燃烧活性先增加后降低,其中700oC焙烧的催化剂活性最高,400oC反应时CH4转化率为91%.此时Pd物种主要以PdO颗粒形式高度分散在载体的介孔孔道内,而高温焙烧时,Pd物种主要以Pd和PdO的混合晶相存在.尽管900oC焙烧制得的催化剂上CH4的转化率降低,但TOF值最大,这可能与该催化剂中同时存在金属Pd和PdO有关.     

多元醇法制备条件对介孔Ce0.5Zr0.5O2复合氧化物性能的影响

采用多元醇法合成了一系列具有立方萤石结构的介孔Ce0.5 Zr0.5 O2(m-Ce0.5 Zr0.5 O2)复合氧化物,考察了前驱物和PVP浓度、反应时间、焙烧温度和时间等条件对m-Ce0.5 Zr0.5 O2复合氧化物性能的影响,并运用XRD、Raman、BET、FT-IR和TG等手段对样品进行了表征.结果表明,制备条件对m-Ce0.5 Zr0.5 O2复合氧化物的性能具有较大的影响,在前驱物和PVP浓度为0.04 M和0.16 M、反应时间7 h、焙烧温度和时间为673 K和4 h时,所制m-Ce0.5 Zr0.5 O2的性能最好,其比表面积、孔容和平均孔径分别为181 m2·g-1、0.282 cm3.g-1和3.75 nm.活性的测定结果表明,富氢条件下CuO/m-Ce0.5 Zr0.5 O2催化剂的CO氧化活性比CuO/cp-Ce0.5 Zr0.5 O2催化剂有较大幅度的提高.     

MnOδ催化剂的制备及对柴油机尾气炭烟颗粒燃烧的催化性能

基于氧化锰(MnO_x)催化剂优异的氧化还原性能,采用水热法制备了一系列具有层状结构的MnO_δ催化剂,并对其物化性能进行了表征.研究了水热反应温度、煅烧温度以及原料组成对催化剂晶体结构、形貌和氧化还原性能的影响,并将MnO_δ催化剂应用于柴油机尾气炭烟颗粒的催化燃烧.结果表明,当水热反应时间为12 h,煅烧温度为550℃,反应原料中KOH和K₂CO₃同时存在时,所制备的MnO_δ-t₁₂催化剂具有最佳的催化燃烧炭烟颗粒的活性, T₁₀, T₅₀和T₉₀值分别为274, 321和354℃.     

CuO/Ce0.5Ti0.5O2的制备与表征及其对NO+CO反应的催化活性

以Ce0.5Ti0.5O2为载体, 采用浸渍法制备了不同负载量的CuO/Ce0.5Ti0.5O2催化剂, 通过TPR、XRD和激光Raman光谱等技术对其进行了表征, 并在色谱-微反装置上考察了催化剂对NO+CO反应催化性能. 结果表明, CuO/Ce0.5Ti0.5O2催化剂对NO+CO反应的活性与CuO负载量有关; 500 ℃焙烧的催化剂, 当CuO的负载量(w)为22%时, 催化剂的活性最好; 14%CuO/Ce0.5Ti0.5O2在700 ℃焙烧具有最佳催化活性, 这可能与复合载体形成了CeTi2O6的结构有关. TPR结果表明, CuO在Ce0.5Ti0.5O2上出现了四种还原能力不同的物种, α和β峰是载体表面高度分散的CuO物种, γ峰是与Ce0.5Ti0.5O2相互作用较强的孤立CuO晶簇的还原峰, δ峰是载体表面晶相CuO的还原峰; XRD结果表明700 ℃焙烧的样品中已出现了新复合氧化物CeTi2O6的晶相峰, 随焙烧温度的升高, 此晶相峰也变得更加明显, 这说明高温焙烧有利于Ce与Ti发生固相反应而形成CeTi2O6结构; Raman结果表明, 焙烧后的Ce0.5Ti0.5O2并不是简单的TiO2和CeO2的复合, 而是形成了新的晶相结构, 这也进一步验证了CeTi2O6结构的生成.     

焙烧温度对甲硫醇催化剂K_2WO_4/Al_2O_3结构和性能的影响

研究了焙烧温度对溶胶-凝胶法制备的甲硫醇催化剂K2WO4/Al2O3的表面结构和催化性能的影响.表征结果显示,K2WO4在Al2O3上分散得较好,在450和550oC焙烧的催化剂颗粒大小均匀,无明显团聚现象.随着焙烧温度的升高,催化剂的比表面积减小,表面钨物种与Al2O3的相互作用减弱,与碱物种的相互作用增强,酸碱强度降低.K2WO4/Al2O3表面不含质子酸.催化剂活性与其比表面积及表面的共轭酸碱对密切相关.评价结果表明,在550oC焙烧而制得的催化剂活性最高.     

锰基催化剂在催化柴油炭烟燃烧中的应用

柴油机排放的炭烟颗粒引起了严重的环境污染并对人体健康造成了极大的危害,引起人们的广泛关注。目前,催化净化技术是控制柴油机尾气炭烟颗粒排放最有效和研究最广泛的技术手段之一,其中高性能催化剂的研发是催化净化技术应用最为关键的因素。本文总结了近年来锰基催化剂材料在催化柴油机炭烟燃烧中的研究进展,重点介绍了单组分锰基催化剂、复合结构锰基氧化物催化剂、固定结构锰基氧化物催化剂(钙钛矿型、尖晶石型、水滑石型)等的研究进展,并简述了锰基催化剂材料在同时消除炭烟颗粒和氮氧化物方面的研究进展。最后,提出了锰基催化剂在催化柴油机炭烟燃烧中存在的问题并对其发展前景进行了展望。     

堇青石负载La-Mn-O复合氧化物催化剂的甲苯催化燃烧性能

以堇青石蜂窝陶瓷为载体,以La2O3,Mn(NO3)2为基本原料,掺杂一些稀土等非贵重金属元素,采用浸渍法制备了系列负载La-Mn-O复合氧化物催化剂.考察了焙烧温度等对甲苯催化燃烧性能的影响,并对催化剂进行了XRD,TPR表征.结果表明,800 ℃焙烧的LaMn/Cord催化剂具有较高的甲苯催化燃烧性能;Ce取代催化剂中部分La后能改善催化剂的氧化活性,当Ce∶La=1∶1(摩尔比)时催化性能最佳,在260 ℃的反应温度下甲苯转化率达到90%以上.     

整体式Pt/γ-Al2O3/Ce0.5-xZr0.5-xMn2xO2催化剂低温催化燃烧饮食油烟

 采用固定床反应器评价了整体式催化剂 Pt/γ-Al2O3/Ce0.5-xZr0.5-xMn2xO2 去除饮食油烟的催化性能. 制备了一系列不同 Mn 含量的 Ce0.5-xZr0.5-xMn2xO2 储氧材料, 并考察了其作为载体对 Pt/γ-Al2O3/Ce0.5-xZr0.5-xMn2xO2 催化剂活性的影响. 应用 X 射线衍射 (XRD)、N2 物理吸附和 H2 程序升温还原 (H2-TPR) 等手段对催化剂进行了表征. XRD 结果表明, 贵金属 Pt 很好地分散在载体 γ-Al2O3 和 Ce0.5-xZr0.5-xMn2xO2 上. N2 物理吸附和 H2-TPR 研究结果与催化剂活性测试能很好吻合. 催化剂的活性顺序为 x = 0.10 > x = 0.15 > x = 0.05 > x = 0 > x = 0.20, Pt/γ-Al2O3/Ce0.4Zr0.4Mn0.2O2 催化剂活性最好, 油烟完全转化温度仅为 495 K.     

焙烧温度对 MnO2-CeO2/Zr0.25Ti0. 25Al0. 5O1.75 整体式催化剂 NH3 低温选择性催化还原 NO 性能的影响

 采用等体积浸渍法在不同温度下焙烧制备了一系列 MnO2-CeO2/Zr0.25Ti0.25Al0.5O1.75 整体式催化剂样品, 并用低温 N2 吸附-脱附、储氧量、X 射线衍射、X 射线光电子能谱和 NH3 程序升温脱附等对催化剂进行了表征, 考察了催化剂上 NH3 选择性催化还原 (SCR) NO 的活性. 结果表明, 随着焙烧温度的升高, 催化剂的比表面积和孔体积逐渐减小, 平均孔径逐渐增大, 储氧能力逐渐降低. 在 500~700 oC 焙烧时, 催化剂主要以无定形或微晶的形式存在; 在 500 oC 焙烧时, 催化剂表面 Mn 与载体之间的相互作用较强, 表面酸量最高, 有利于提高 SCR 活性. 尽管在 600 和 700 oC 焙烧的催化剂仍具有较高的 SCR 活性, 且表现出一定的抗 H2O 和 SO2 性能, 但活性有所下降. 800 oC 焙烧后催化剂的活性显著降低.