用于碳烟催化燃烧、NOx储存及碳烟与NOx催化共消除的水滑石基催化剂研究

因柴油发动机较汽油发动机的油耗低30％以上，因此柴油车近年来呈明显增长态势，但柴油发动机尾气污染严重，对柴油车尾气进行催化净化同时具有保护环境和提高能源利用率双重意义。碳烟和NOx是柴油车尾气中的主要污染物，如何降低碳烟的燃烧温度，同时提高NOx的还原效率是降低柴油车污染的关键。高效的氧化型催化剂可以显著降低碳烟催化燃烧的活化能，而具有还原活性位的催化剂可以提高碳烟还原NOx的效率。本项目拟选取Co、Mn、Cu等过渡金属为主体元素的水滑石基复合氧化物作为催化剂，并用K对催化剂进行改性，考察其对碳烟燃烧以及碳烟还原氮氧化物的催化性能，优化催化剂的组成、K的负载量、催化剂的焙烧温度等参数。对催化剂的结构，包括体相、表相、电子能态结构和微观配位结构等进行详细表征，给出催化剂的构效关系和反应动力学模型。另外，由于柴油中含有一定量的硫物种，提高催化剂的抗硫性能也是本项目的重要研究内容和目标。

与汽油发动机相比，柴油发动机因具有更低的能耗、更大的动力输出和更好的耐久性等优点，近年来得到了广泛应用。然而，柴油燃料在燃烧过程中产生大量的污染物，如氮氧化物（NOx）和碳烟颗粒等，造成了极大的环境污染，对柴油车尾气进行催化净化同时具有保护环境和提高能源利用率双重意义。降低碳烟的燃烧温度，同时提高NOx的还原效率是催化净化柴油车尾气的关键。本项目选取Co、Mn和Cu等过渡金属元素作为水滑石基复合氧化物催化剂中的氧化元素，并用碱金属元素K或稀土元素La、Ce对催化剂进行改性，考察其对碳烟燃烧以及碳烟还原NOx的催化性能。首先，用pH值共沉淀法成功制备了CoMgAlO水滑石基氧化物并负载了碱金属元素K，或加入稀土元素La、Ce部分取代水滑石催化剂中的Al对催化剂进行改性，并优化了催化剂的组成、助剂的负载量、催化剂的焙烧温度等参数。系统考察了这些催化剂对碳烟催化燃烧、NOx储存以及碳烟与NOx催化共消除的性能，采用XRD、XPS、TPDRO、XANES、EXAFS、FT－IR、TG/DTA对技术对催化剂的多层次结构，包括体相结构、表相结构、电子结构和活性中心原子的微观局域配位结构等进行了详细表征，阐明了催化剂的构效关系。同时还采用原位漫反射红外光谱（in situ DRIFT）技术对NOx物种的储存路径进行了研究，给出了NOx储存及其与碳烟颗粒反应的动力学模型。结果表明，强碱性助剂K的存在，能显著提高催化剂对NOx的储存性能以及NOx与碳烟颗粒的催化共消除性能，K的最佳负载量为4.5 wt.%，因为过多的K会覆盖催化活性位，对NOx储存和还原反应均不利。稀土元素La、Ce的加入，不仅能提高水滑石基催化剂的催化性能，而且能提高催化剂的热稳定性。原位DRIFTS结果表明，NOx的主要储存物种有线式亚硝酸盐、单齿硝酸根、螯合的双齿硝酸盐以及离子态硝酸盐等物种，储存温度高有利于硝酸盐物种的形成。NOx与碳烟颗粒的催化共消除路径主要有：吸附态的NO2物种与碳烟的反应、以及储存的亚硝酸盐或硝酸盐与碳烟颗粒之间的反应，NO2物种对碳烟具有更强的氧化性能。本项目研发的K/CoMgAlO、K/MnMgAlO、CoMgAlLaO、CoMgAlCeO等多个催化剂体系均不仅具有很高的催化性能，而且具有较高的热稳定性(含Cu体系除外)，显示出了良好的应用前景。