基于“螺纹”静电纺技术制备网络状纳米纤维多孔材料及其在尾气净化中的作用机制研究

载体材料是制约高活性、长寿命汽车尾气净化催化材料发展的瓶颈因素之一。本项目拟利用稀土掺杂氧化铝纳米纤维极大比表面积和良好热稳定性，结合金属钯优良催化活性，提出一种开发高性能尾气净化用纳米纤维负载型催化材料的新途径，重点围绕优良物性的纳米纤维制备、网络状纳米纤维多孔材料结构构建及二者与尾气背压、催化性能关系的相关问题进行研究。采用先进测试手段考察静电纺、煅烧工艺对纳米纤维结构和性能的影响，利用高速摄影技术研究"螺纹"静电纺过程中泰勒锥形成条件及多射流间相互干扰下纤维的形变特征和运动行为；借助计算流体动力学（CFD）技术，研究纳米纤维多孔结构与尾气流动特性关系，建立纳米纤维多孔材料尾气流体动力学模型，优化孔隙结构；将其与化学反应相耦合，探索纳米纤维负载钯催化材料对HC、CO和NOx的起燃、空燃催化特性问题，阐明纳米纤维多孔材料结构与催化性能关系，为发展纳米纤维负载型催化材料提供实验和理论支持。

催化净化是解决尾气污染行之有效的方法，载体材料不足是当前制约高活性、长寿命汽车尾气催化净化材料发展的瓶颈因素之一。本项目提出利用电纺氧化铝纳微米纤维极大比表面积和良好热稳定性，结合金属钯优良催化活性，开发尾气净化用纳微米纤维负载型催化材料新思路。重点研究了电纺氧化铝纤维及其铈、锆掺杂改性制备工艺，建立了有机无机共混体系带电液滴模型，分析了表面液滴受力、射流形成及稳态阶段拉伸细化过程，仿真模拟了“螺纹”电纺系统电场强度及纳微米纤维多孔材料尾气流动特性，考察了纳微米纤维多孔材料负载钯制备工艺及催化性能，探讨了基于溶胶凝胶纺丝液的新型静电溶吹氧化铝超细纤维制备技术。.电纺实验结果表明，PVP/AlCl3有机无机共混纺丝液是电纺氧化铝纳微纤维较佳纺丝体系，在体系的基础上，掺杂一定量氯化铈、硝酸锆，可成功制备出形貌结构良好的铈、锆掺杂电纺氧化铝纳微米纤维，铈、锆加入抑制了氧化铝晶粒烧结增大，延缓了Al2O3的相变，有效改善氧化铝纳微米纤维的热稳定性；通过GSC理论和高斯定量理论推导可知，溶液中离子浓度越高，电荷层分散层特征厚度越小，液滴表面电荷密度越大；首次提出了有机无机混合射流等速圆环牵伸细化理论，高速摄像显示过高的电导率致使其加速过快而鞭动下降是有机无机共混体系电纺纤维直径较粗的根本原因；有限元仿真结果表明，“螺纹”电纺最大场强位于螺纹顶端，且螺纹角和接收距离越小、螺距和施加电压越大、系统最大场强值也越高；CFD数值模拟表明：出口管径、纤维直径及多孔材料孔隙率越小，有助于改善纳微米纤维负载型多孔材料流场均匀性，提高催化净化器中载体材料的催化效率，但净化器入口和内部压强将大幅增加，易造成尾气背压；研究发现，铁丝预活化化学镀工艺可使Pd粒均匀地附着在纳微米纤维多孔材料中的单根纤维表面，较佳的施镀工艺为：施镀温度约70℃，施镀时间为40 min；Pd/Al2O3纳微米纤维催化材料在400℃下CO、HC和NO转化率分别为91.5%、86.4%和85.5%，在汽车尾气催化净化方面具有潜在的应用前景；以溶胶凝胶体系为纺丝液，采用静电溶吹制备技术，在静电力和气流力的双重耦合作用下拉伸、细化，可制备出直径在3～5μm形貌结构良好的Al2O3纤维。