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(duì)城市大氣環(huán)境和人類健康構(gòu)成極大威脅。過(guò)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(jì)的方法。但PM熱氧化溫度高達(dá)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(guò)濾器上的PM被催化氧化,避免過(guò)濾器上PM的過(guò)度積累,堵塞過(guò)濾器,降低柴油機(jī)效率。因此,高性能催化劑的開(kāi)發(fā)是柴油碳煙顆粒凈化的關(guān)鍵問(wèn)題之一。
在本組研究工作的基礎(chǔ)上,探討了柴油機(jī)尾氣碳煙顆粒催化燃燒反應(yīng)的特點(diǎn),總結(jié)了碳煙催化燃燒反應(yīng)催化劑的設(shè)計(jì)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(jià)和非計(jì)量過(guò)渡金屬氧化物作為主要活性成分的廉價(jià)催化劑是較好的氧化還原催化劑。例如:Mn,Co,F(xiàn)e等。同時(shí),可以用低價(jià)堿金屬或堿土金屬離子部分代替A位高價(jià)稀土離子,提高鈣鈦礦復(fù)合氧化物中B位過(guò)渡金屬離子的價(jià)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(jìn)而提高其對(duì)碳黑顆粒的氧化活性。
其次,催化劑的高流動(dòng)性是實(shí)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(dòng)性,可以從三個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì):一方面從低熔點(diǎn)氧化物開(kāi)始,尋找表面原子流動(dòng)性高的催化劑;另一方面,開(kāi)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(diǎn),提高催化劑的流動(dòng)性;最后,參照貴金屬催化劑的作用機(jī)制,利用NO的強(qiáng)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(gè)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(kuò)散也很難進(jìn)入載體微孔進(jìn)行反應(yīng)。因此,僅從碳煙的氧化活化來(lái)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(lái)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(gè)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(duì)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(guò)原位紅外漫反射和原位質(zhì)譜來(lái)研究的,碳黑顆粒和NOx的反應(yīng)機(jī)制是消除的。NOz是通過(guò)原位質(zhì)譜在非貴金屬催化劑上檢測(cè)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(duì)于碳黑顆粒還原NOx產(chǎn)生的N,其產(chǎn)生是通過(guò)硝酸鹽物種的形成過(guò)程,NO,N不能與碳煙顆粒直接反應(yīng)。這些反應(yīng)機(jī)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(shí)消除柴油車尾氣排放的四種污染物,提出了兩個(gè)組合四效催化劑的新設(shè)計(jì)理念,在消除柴油車尾氣中碳煙顆粒的同時(shí),開(kāi)發(fā)了高活性。NOx、CO和經(jīng)典四效催化劑、實(shí)驗(yàn)室和發(fā)動(dòng)機(jī)架的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,這種四效催化劑的組合對(duì)四種污染物有很好的凈化效果,NOx消除可以達(dá)到歐洲Ⅳ標(biāo)準(zhǔn);柴油碳煙顆粒可以達(dá)到歐V標(biāo)準(zhǔn),具有一定的應(yīng)用前景。
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