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柴油車尾氣碳煙顆粒催化燃燒稀土金屬氧化物催化材料的思路分析
2023/5/4 11:13:52
柴油炭煙顆粒物(PM）它是柴油車尾氣排放的主要污染物之一，對城市大氣環(huán)境和人類健康構(gòu)成極大威脅。過濾器與氧化催化劑的結(jié)合是消除柴油和碳煙污染物最有效、最經(jīng)濟的方法。但PM熱氧化溫度高達550~650℃，柴油車排氣溫度為180~450℃，需要高催化活性催化劑降低PM氧化溫度，催化劑與PM固相保持良好接觸，使過濾器上的PM被催化氧化，避免過濾器上PM的過度積累，堵塞過濾器，降低柴油機效率。因此，高性能催化劑的開發(fā)是柴油碳煙顆粒凈化的關(guān)鍵問題之一。
在本組研究工作的基礎(chǔ)上，探討了柴油機尾氣碳煙顆粒催化燃燒反應(yīng)的特點，總結(jié)了碳煙催化燃燒反應(yīng)催化劑的設(shè)計思路，應(yīng)遵循以下原則。
首先，催化劑的高氧化還原性能是高活性的基本和內(nèi)部原因。選擇具有可變化合價和非計量過渡金屬氧化物作為主要活性成分的廉價催化劑是較好的氧化還原催化劑。例如：Mn，Co，F(xiàn)e等。同時，可以用低價堿金屬或堿土金屬離子部分代替A位高價稀土離子，提高鈣鈦礦復(fù)合氧化物中B位過渡金屬離子的價格狀態(tài)和氧離子空位，提高鈣鈦礦復(fù)合氧化物催化劑的氧化還原性能，進而提高其對碳黑顆粒的氧化活性。
其次，催化劑的高流動性是實現(xiàn)催化劑與碳煙顆粒良好接觸和高活性的必要外部條件。因此，催化劑需要良好的流動性，可以從三個方面進行設(shè)計：一方面從低熔點氧化物開始，尋找表面原子流動性高的催化劑；另一方面，開發(fā)新型納米催化劑材料，充分利用納米粒子表面自由度高、活性好的特點，提高催化劑的流動性；最后，參照貴金屬催化劑的作用機制，利用NO的強氧化能力和間接催化氧化，將碳煙與反應(yīng)氣體之間的固體接觸轉(zhuǎn)化為固體接觸，改善催化劑與碳煙之間的接觸。
第三，碳煙粒度較大(單個soot粒子直徑約25nm~lum)，即使超大孔分子篩（最大孔徑20nm），碳煙的擴散也很難進入載體微孔進行反應(yīng)。因此，僅從碳煙的氧化活化來看，催化劑的外表面是主要的活性表面。然而，從Oz和NOx分子的活化來看，催化劑的內(nèi)表面也起著重要的作用。因此，制備高比表面積的多孔催化劑也是一個重要的研究方向。
NO和Oz在催化劑的作用下反應(yīng)產(chǎn)生的NO對碳黑的催化燃燒也起著非常重要的作用。類鈣鈦礦復(fù)合氧化物催化劑是通過原位紅外漫反射和原位質(zhì)譜來研究的，碳黑顆粒和NOx的反應(yīng)機制是消除的。NOz是通過原位質(zhì)譜在非貴金屬催化劑上檢測到的，發(fā)現(xiàn)碳煙是消除的。NO,反應(yīng)氣相的產(chǎn)生加速了碳黑的催化燃燒；對于碳黑顆粒還原NOx產(chǎn)生的N，其產(chǎn)生是通過硝酸鹽物種的形成過程，NO,N不能與碳煙顆粒直接反應(yīng)。這些反應(yīng)機制的理解解釋了鈣鈦礦復(fù)合氧化物催化劑中碳顆粒還原NOx的本質(zhì)和產(chǎn)生N的原因。
為了同時消除柴油車尾氣排放的四種污染物，提出了兩個組合四效催化劑的新設(shè)計理念，在消除柴油車尾氣中碳煙顆粒的同時，開發(fā)了高活性。NOx、CO和經(jīng)典四效催化劑、實驗室和發(fā)動機架的實驗結(jié)果證明，這種四效催化劑的組合對四種污染物有很好的凈化效果，NOx消除可以達到歐洲Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)；柴油碳煙顆?？梢赃_到歐V標(biāo)準(zhǔn)，具有一定的應(yīng)用前景。
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