SiC基CDPF的仿生结构设计及催化氧化颗粒物的机理研究

Base on the ultrafine particles (especially nanoparticles) in diesel engine exhaust is difficult to filter and remove, in this proposal, the bionic design idea is be introduced on Diesel Particulate Filter (DPF) field. SiC/mullite whiskers surface filtration materials with bionic structure were prepared by molten salt reactions which would control by the mullite whiskers growth on SiC substrates. Catalysts are loaded on the surface of mullite whiskers subsequently for the Catalytic regeneration of Diesel Particulate Filter (CDPF) preparation. Thus, the new kind of CDPF has efficient filtration and catalytic oxidation regeneration. Two key scientific problems are the catalytic oxidation mechanism of Particulate Matter (PM) and the relationship between the bionic structure and the gas filtration performance. After the foregoing investigations, the molten salt reaction mechanism and the catalytic oxidation mechanism will be clarified, the relationship between bionic structure and ultrafine particles filtration performance will be realized, this is a new exploration about the bionic structure design using in the Catalytic regeneration of Diesel Particulate Filter (CDPF) field.

针对柴油机颗粒物过滤器(DPF)的过滤精度不足以过滤去除超细颗粒物（尤其是纳米颗粒物）的问题，本项目将仿生结构设计的思想引入DPF研究领域。采用熔盐反应控制莫来石晶须在SiC基陶瓷表面定向生长制备出具有仿生结构的碳化硅/莫来石晶须表面层，然后在莫来石晶须表面负载催化剂制备出催化氧化再生过滤器(CDPF)，实现高效过滤性能与催化氧化再生性能的统一。仿生结构与过滤性能之间的关联性及颗粒物(PM)催化氧化机理是本项目需要解决的两个关键科学问题。通过研究，揭示所涉及的熔盐反应机理和CDPF再生过程的催化反应机理，阐明这种仿生结构与过滤性能之间的构-效关系。探索仿生结构设计思想应用于催化氧化再生过滤器(CDPF)领域的可行性。

为解决柴油机尾气颗粒物过滤（Diesel Particulate Filter, DPF）的过滤精度不足以把柴油机尾气中超细颗粒物（尤其是纳米颗粒物）过滤去除的问题，本项目将仿生结构设计的思想引入DPF领域，构建具有催化再生能力的SiC基CDPF，以实现柴油车尾气颗粒物的高效过滤。本项目采用熔盐反应在SiC多孔陶瓷表面生长莫来石晶须，再利用溶胶-凝胶、溶液浸渍等技术在莫来石晶须表面负载上催化剂的活性组分，制备出具有催化再生能力的颗粒物过滤器(CDPF)。通过项目的支持，获得了碳化硅/莫来石晶须界面层、碳化硅/硼酸铝晶须界面层、堇青石/莫来石晶须界面层、堇青石/硼酸铝晶须界面层的微观结构，以上材料界面的制备方法已经申报国家发明专利多项（已授权发明专利2项）。熔盐反应对SiC陶瓷、堇青石陶瓷进行表面改性处理的研究发表学术论文7篇，研究表明晶须表面负载催化剂能显著降低烟碳的起燃温度、最大燃烧速率温度和燃尽温度，能够在高效捕获柴油机尾气中颗粒物的同时将颗粒物催化氧化处理，可望应用于DPF领域。. 柴油机尾气过滤器一般采用壁流式的结构设计方案，无论是结构设计还是所采用的材质最先由美国康宁公司发明，国内的生产企业均采用“跟进国外技术—吸收国外技术—再创造”的技术路线。本项目的思路和材料制备技术均属于原创性的发明，相关成果已经获得国家发明专利2项，成果如果能够应用于DPF领域，将会在国际上产生巨大影响。所发表的学术论文揭示柴油机尾气颗粒物多相催化反应过程强化机制，为进一步发展柴油机尾气颗粒物的排放控制技术提供坚实的理论基础。