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。     

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.     

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。     

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.     

单一金属氧化物同时催化去除碳颗粒和NOx

制备了系列金属氧化物催化剂, 研究了富氧条件下单一金属氧化物同时催化去除碳颗粒和NOx的活性, 考察了碳颗粒与催化剂之间的接触方式对催化活性的影响, 并分析了碳颗粒和NOx催化同时去除的路径. 结果表明, Cr、Mn、Co和Ni金属氧化物催化剂对碳颗粒和NOx同时去除具有较高的催化活性, 并且在催化剂与碳颗粒之间“松散接触”方式下依然具有较高的活性; 其同时催化去除碳颗粒和NOx的路径为, 催化剂催化NO氧化成NO2, NO2促进碳颗粒氧化去除, 而碳颗粒氧化的中间物CO还原NO, 促进NOx还原去除.     

单一金属氧化物同时催化去除碳颗粒和NOx

制备了系列金属氧化物催化剂,研究了富氧条件下单一金属氧化物同时催化去除碳颗粒和NOx的活性,考察了碳颗粒与催化剂之间的接触方式对催化活性的影响,并分析了碳颗粒和NO,催化同时去除的路径.结果表明,Cr,Mn、Co和 Ni 金属氧化物催化剂对碳颗粒和 NOx 同时去除具有较高的催化活性,并且在催化剂与碳颗粒之间"松散接触"方式下依然具有较高的活性;其同时催化去除碳颗粒和 NOx 的路径为,催化剂催化NO 氧化成NO2,NO2 促进碳颗粒氧化去除,而碳颗粒氧化的中间物 CO 还原 NO,促进 NO,还原去除.     

用于NH3选择性催化还原NO的非钒基催化剂研究进展

NH3选择性催化还原NO (NH3-SCR)技术在燃煤电厂烟气脱硝过程中有着多年的工业应用经验,也是最有望实际应用于柴油车尾气NOx催化去除的技术之一.鉴于目前工业化应用的V2O5-WO3 (MoO3)/TiO2催化剂体系应用于柴油车尾气净化仍存在着诸多问题,开发新型、高效、稳定且环境友好的非钒基NH3-SCR催化剂体...     

Mn_(1-x)(Li,Ti)_xCo_2O_4尖晶石型复合氧化物的制备、表征与催化性能

用柠檬酸配位燃烧法合成了Mn1-x(Li,Ti)xCo2O4系列尖晶石型复合氧化物催化剂,使用FTIR和XRD方法对催化剂结构进行表征,通过程序升温氧化反应(TPO)技术对这些催化剂在模拟柴油机尾气条件下进行同时消除NOx和柴油碳黑反应的活性评价。结果表明,掺杂Li或Ti后的Mn1-x(Li,Ti)xCo2O4系列催化剂仍然保持了完整的尖晶石型复合氧化物结构,这些催化剂对同时消除柴油机尾气中的碳黑颗粒和NOx具有良好的催化性能,其中Li或Ti的掺杂量为x=0.05较佳,结合碳黑燃烧与NOx还原总的催化效果,Mn0.95Li0.05Co2O4具有最好的催化活性。     

钾掺杂三维有序大孔结构Mn0.5Ce0.5Oδ催化剂合成及其催化燃烧炭烟性能

柴油发动机是一种高效耐用的发动机,具有广阔的应用前景.但柴油车尾气中的炭烟颗粒吸附了许多有毒有害物质,也是城市PM2.5的主要来源之一,对人类生命安全造成极大威胁.因此,降低和消除柴油车尾气中的炭烟颗粒是柴油车尾气净化的重要任务.尾气后处理是炭烟颗粒进入大气环境前的最后一道程序,可有效控制柴油车尾气中炭烟颗粒排放.其中,催化净化催化剂是尾气后处理技术的核心.研究表明,炭烟颗粒催化燃烧是一个气-固-固三相深度氧化反应,因此开发新型催化剂体系,改善催化剂与炭烟颗粒的接触,提高催化剂的本征活性,对于研制高活性炭烟燃烧催化剂具有重要的实际意义. 对于三维有序大孔(3DOM)结构催化剂,大孔有利于炭烟颗粒进入催化剂内部并与活性位点接触,而有序的孔道结构可以促进炭烟颗粒在催化剂孔道内传输.因此,将催化炭烟颗粒燃烧催化剂设计成3DOM结构,可促进炭烟颗粒催化燃烧,提高催化剂活性.研究表明,锰铈复合氧化物材料在炭烟颗粒催化燃烧中表现出比单一的锰氧化物和铈氧化物更好的性能.而将K与Ce和Mn形成复合氧化物,利用三者之间的协同作用,将可使K掺杂3DOM结构Mn0.5Ce0.5Oδ催化剂具有更高的催化活性.本文利用胶体晶体模板法成功制备了3DOM结构的Mn0.5Ce0.5Oδ复合氧化物,并采用简单的等体积浸渍方法成功制备了不同K担载量的K掺杂3DOM结构Mn0.5Ce0.5Oδ催化剂(K-MCO).表征结果表明, K-MCO催化剂具有贯通有序的大孔结构,但焙烧温度和焙烧时间会对大孔结构的规整性有一定影响;催化剂中K含量、焙烧温度和焙烧时间对K-MCO的晶型影响较大,催化剂中出现了一个新的晶相K2Mn4O8.另外, K含量、焙烧温度和焙烧时间对催化剂的氧化还原性能也有较大影响.评价结果表明,所制催化剂对炭烟催化燃烧均具有较高活性,其中20% K-MCO-4h催化剂活性最高,催化燃烧炭烟的T50(炭烟的最大燃烧峰值)为331oC, CO2选择性为95.3%.催化剂的大孔结构效应以及K, Mn和Ce三者间的协同作用有利于提高催化剂催化燃烧炭烟的活性.另外,由于柴油车尾气排气口温度范围为175–400 oC,而本文所制催化剂催化燃烧炭烟的温度低于400 oC,因此该催化剂可以在柴油车尾气排气口温度范围内进行炭烟催化燃烧.由于具有合成步骤简单、活性高以及成本低等优点,该催化剂在实际应用方面具有广阔前景.     

Ag/Co-Ce复合氧化物在O2及NOx气氛中催化燃烧碳烟的性能:Ag的作用

柴油车由于其良好的燃油经济性及强劲的动力得到了广泛应用,但同时柴油车尾气排放中颗粒物(PM)也对环境造成巨大污染,并严重威胁人类健康.与气体污染物相比,PM的处理难度更大,其组分复杂,起燃温度高,是当前柴油车排放问题的瓶颈和难点.颗粒过滤器(DPF)是一种有效消除PM的手段,它需要及时再生以保证其较高的碳烟捕集效率.与其他再生方案相比,连续催化再生系统工艺简单,能耗低,研发一种能够连续催化再生柴油车DPF的催化剂也成为当务之急.Ag是一种比较特殊的贵金属,其工业属性较强,价格也相对低廉.Ag基催化剂在环境催化领域有着广泛应用,已被应用于CO催化氧化、VOC催化去除及甲醛催化氧化等领域.目前的文献报道主要集中于研究Ag基催化剂负载于惰性载体对O2气氛下碳烟起燃性能的影响,并基于此讨论Ag的作用.本文利用柠檬酸络合法合成了高性能低温催化氧化材料体系xAg/Co0.93Ce0.07,探讨了不同Ag负载量对在两种气氛O2及O2+NO中催化性能的影响,并深入分析了引起此现象的原因.结果表明,Ag对Co-Ce复合氧化物的催化性能有显著的促进作用;Ag/Co-Ce复合氧化物在O2气氛下的起燃活性取决于Ag含量,Ag含量最高的样品0.3Ag/Co0.93Ce0.07催化性能最佳.而在NOx气氛下,Ag基催化剂的起燃性能不及在O2中的数值;0.2Ag/Co0.93Ce0.07与0.3Ag/Co0.93Ce0.07催化活性并列最优,其起燃温度可低至226oC.XRD及Raman的表征结果证实了Ag主要以单质形态存在,且其对Co-Ce复合氧化物的晶体结构未产生显著的影响,Ag的晶粒尺寸也未明显变化.H2-TPR则表明了Ag的负载未能提高催化剂的整体氧化还原能力,soot-TPR预示Ag甚至恶化了催化剂在惰性气氛下表面晶格氧及体相晶格氧的活性.NOx-TPD表征结果则证明了Ag对催化剂的NOx吸附有积极作用.此外,Ag/Co-Ce复合氧化物催化剂也具备了优异的耐久性及稳定性.本文还依据催化性能及表征结果剖析了碳烟在不同气氛下的催化氧化机理.在O2气氛下,Ag为反应的活性位,Ag与其表面的氧化物层AgOy之间存在一个自再生的反应循环.Ag吸附解离氧原子后,将其转化为AgOy,这表明此氧化物层不仅能够在低温下贡献表面晶格氧去除碳烟,促进氧分子向超氧物种转化,它在分解后也能将吸附氧解离为过氧物种及超氧物种.在NOx气氛下,催化剂表面硝酸根物种是催化剂催化性能维持稳定的重要因素;反应过程中催化材料表面硝酸盐物种的热稳定性筛查结果也进一步佐证了催化剂表面的AgNO3物种是碳烟起燃的决定性因素,其自身的氧化还原活性及Ag离子移动性均有利于降低碳烟的起燃温度.TGA结果说明了NOx气氛中的活性中间产物AgNO3的氧化还原活性劣于O2气氛下活性中间产物Ag2O,这直接导致催化剂在O2气氛下具备更好的碳烟起燃性能.本文工作有助于启发其他研究者开发高活性催化氧化催化材料.     

柴油车排放碳黑颗粒消除催化剂的研究进展

 柴油车尾气排放的碳黑颗粒已引起严重的环境污染问题. 对于柴油车尾气碳黑颗粒的处理必须使用高活性的催化剂来加快碳黑颗粒在低温下的氧化速率. 本文总结了柴油车排放碳黑颗粒催化燃烧用几种不同类型的催化剂,即碱金属或碱土金属催化剂、贵金属催化剂、过渡金属催化剂以及复合型催化剂,归纳了它们的催化作用机理,比较了它们在松散接触与紧密接触时的不同催化活性,概括了这些催化剂的最新研究进展,并对它们在实际应用中存在的问题和应用前景进行了探讨.     

环境友好的选择性催化还原氮氧化物催化剂

富氧条件下的氮氧化物（NO。）选择性催化还原（SCR）是目前环境催化领域的研究热点,其核心问题是研发环境友好、高效稳定的SCR催化剂．目前,以NH3为还原剂的NH3-SCR已经大规模应用于固定源烟气脱硝和柴油车尾气净化,以碳氢化合物（Hc）为还原剂的HC-SCR也有望实际应用．针对NH3-SCR,本文以作者研究的铁钛复合氧化物催化剂、铈基氧化物催化剂以及国际上新兴的小孔分子筛催化剂为例,从催化剂结构、SCR反应机理、催化剂低温活性改进以及抗中毒性能等诸多方面对该领域的研究进展做了较为全面的论述．针对HC-SCR催化剂,本文在综述长链HC及柴油选择性还原NQ研究现状的基础上,结合作者在HC-SCR反应机理方面的研究成果,展望了实现柴油-SCR的发展方向．     

CeO2-ZrO2-La2O3-Al2O3 composite oxide and its supported palladium catalyst for the treatment of exhaust of natural gas engined vehicles

Composite supports CeO2-ZrO2-Al2O3 (CZA) and CeO2-ZrO2-Al2O3-La2O3 (CZALa) were prepared by co-precipitation method. Palladium catalysts were prepared by impregnation and their purification ability for CH4, CO and NOx in the mixture gas simulated the exhaust from natural gas vehicles (NGVs) operated under stoichiometric condition was investigated. The effect of La2O3 on the physicochemical properties of supports and catalysts was characterized by various techniques. The characterizations with X-ray diffraction (XRD) and Raman spectroscopy revealed that the doping of La2O3 restrained effectively the sintering of crystallite particles, maintained the crystallite particles in nanoscale and stabilized the crystal phase after calcination at 1000 ℃. The results of N2-adsorption, H2-temperature-programmed reduction (H2-TPR) and oxygen storage capacity (OSC) measurements indicated that La2O3 improved the textural properties, reducibility and OSC of composite supports. Activity testing results showed that the catalysts exhibit excellent activities for the simultaneous removal of methane, CO and NOx in the simulated exhaust gas. The catalysts supported on CZALa showed remarkable thermal stability and catalytic activity for the three pollutants, especially for NOx. The prepared palladium catalysts have high ability to remove NOx, CH4 and CO, and they can be used as excellent catalysts for the purification of exhaust from NGVs operated under stoichiometric condition. The catalysts reported in this work also have significant potential in industrial application because of their high performance and low cost.     

Emission of Toxic HCN During NOx Removal by Ammonia SCR in the Exhaust of Lean‐Burn Natural Gas Engines

Reducing greenhouse gas and pollutant emissions is one of the most stringent priorities of our society to minimize their dramatic effects on health and environment. Natural gas (NG) engines, in particular at lean conditions, emit less CO₂ in comparison to combustion engines operated with liquid fuels but NG engines still require emission control devices for NO_x removal. Using state‐of‐the‐art technologies for selective catalytic reduction (SCR) of NO_x with NH₃, we evaluated the interplay of the reducing agent NH₃ and formaldehyde, which is always present in the exhaust of NG engines. Our results show that a significant amount of highly toxic hydrogen cyanide (HCN) is formed. All catalysts tested partially convert formaldehyde to HCOOH and CO. Additionally, they form secondary emissions of HCN due to catalytic reactions of formaldehyde and its oxidation intermediates with NH₃. With the present components of the exhaust gas aftertreatment system the HCN emissions are not efficiently converted to non‐polluting gases. The development of more advanced catalyst formulations with improved oxidation activity is mandatory to solve this novel critical issue.     

Recent advances in soot combustion catalysts with designed micro-structures

With the enhancement of the people consciousness of environment protection, soot particulates(PM)elimination has drawn wide attention in recent years. Efficient after-treatment with well-designed catalysts is one of the best ways to eliminate soot particulates that come from diesel engines. Catalysts coated on the DPF(diesel particulate filter) are considered as the main factor to lower soot ignition temperature.Improvement of the structures of the catalysts is significantly important in order t...     

Development and characterization of a mobile photoacoustic sensor for on-line soot emission monitoring in diesel exhaust gas

Upcoming regulations for vehicle exhaust emission demand substantial reduction of particle emission in diesel exhaust. To achieve these emission levels, the car manufacturing industry is developing new combustion concepts and exhaust after-treatment techniques such as the use of catalysts and particle filters. Many of the state-of-the-art analytical instruments do not meet the required detection limits, in combination with a high temporal resolution necessary for engine optimization. This paper reports a new detection system and the first results of its application to on-line diesel exhaust soot measurements on a engine test bench (MAN diesel engine facility Nürnberg, Germany). The instrument is based on differential photoacoustic (PA) spectroscopy of black carbon aerosol. It contains two identical PA cells, one for the measurement of the aerosol particles and one which analyses the particle-free gas. Thus, a potential cross-sensitivity to gaseous absorbers in the exhaust gas can be excluded. The PA cells were characterized in a laboratory set-up, with water vapor as reference gas and artificial soot generated by a spark discharge generator. The detection limit was found to be 2 microg m(-3) BC (for diesel soot) with a sampling rate of 3 Hz. The temporal response of the system was found to be in the order of 1 s. After full characterization of the cells, the system was transferred into a mobile 19"-rack. Characterization of the mobile sensor system under real-world conditions was performed during several measurement campaigns at an engine test bench for heavy-duty diesel engines. Results for the limit of detection, the time resolution, accuracy, repeatability, and robustness of the sensor system are very promising with regards to a routine application of the system in engine development.