Nd改性MnOx-CeO2碳烟燃烧催化剂的性能研究

摘要

柴油机的排放量低、动力性以及经济性好，因而被广泛应用于汽车中，但柴油车尾气碳烟颗粒(PM)给人类的生存环境和身体健康造成了严重的威胁，治理PM已成为人们关注的热点。柴油车尾气过滤器和低温高活性催化剂的结合是目前有效消除 PM的方法。尽管贵金属催化剂的活性好，但其价格昂贵、日益短缺，因而限制了其广泛使用。开发替代贵金属催化剂的廉价、高性能的碳烟燃烧催化剂成为研究热点。MnOx的氧化还原能力强且价格低廉、环境友好，且CeO2具有优良的氧储存性能，在催化领域中MnOx-CeO2复合氧化物已得到了大量研究者的青睐。本文主要对MnOx-CeO2和Nd掺杂的MnOx-CeO2碳烟燃烧催化剂的制备、表征等方面进行了研究。
　　本文首先通过改变MMA单体的量和机械搅拌速率尝试制备不同的PMMA微球，其次考察了催化剂制备方法、Mn含量和Nd掺杂对MnOx-CeO2催化剂性能的影响。对催化剂进行了 XRD、BET、O2-TPD、Raman、XPS、H2-TPR和 FESEM表征并测试了其催化碳烟燃烧的活性。为考察 MnOx-CeO2和 Nd掺杂的MnOx-CeO2催化剂的热老化性能，将新鲜催化剂在800℃下热处理12h后得到了老化催化剂，并对其进行了XRD、BET和H2-TPR表征以及评价了其催化碳烟燃烧的活性。
　　模板法制备的催化剂的 SEM结果显示所合成的催化剂拥有长程有序的结构，大孔形状规整、平均孔径和孔壁厚均一、大孔通过小窗口相互联通。根据SEM图片可知大孔的孔径大约为160 nm、大孔之间的小窗口的尺寸在60 nm左右，孔壁厚大约为20 nm左右。引入P123形成的介孔均匀分布在大孔的孔壁上。大孔和介孔的边缘以及大孔的孔壁相比于无孔颗粒暴露了更多的电子给体中心，提供更多的电子给吸附氧使其转化为活性氧，从而降低了碳烟燃烧的温度。由于碳烟颗粒的直径一般在25 nm，碳烟颗粒可以进入到3DOM催化剂的内部，从而增大了碳烟与活性位点的接触机率，进而促进碳烟燃烧。
　　对不同Mn含量的MnOx-CeO2或Nd掺杂的MnOx-CeO2催化剂的研究表明：Mn的摩尔比分别小于0.4和0.5的3DOM和传统催化剂以固溶体存在；而当Mn含量继续增加，3DOM和传统催化剂出现聚合态 MnOx。催化剂的比表面积、氧空位浓度、表面吸附氧浓度和Mn4+含量都随着Mn含量的增加先增加后下降，故催化剂的活性也先增强后减弱。模板法制备的催化剂比共沉淀制备的催化剂的氧空位和表面吸附氧更多，氧化还原能力和脱附氧能力更强，故前者的催化活性比后者更好。
　　对 MnOx-CeO2和 Nd掺杂的 MnOx-CeO2催化剂的研究表明：Nd掺杂的Mn-O-Ce固溶体与 Mn-O-Ce相比拥有更多的氧空位、更高的表面吸附氧浓度和Mn4+含量、更强的氧化还原能力，这正是Nd掺杂的催化剂的碳烟催化燃烧活性更好的原因。同时，也发现Nd掺杂到MnOx-CeO2中增强了催化剂的热老化性能。Nd引入 MnOx-CeO2中在一定程度上阻止了固溶体严重烧结和相分离以及在老化处理后维持了部分低温氧化还原能力，阻碍了催化剂的严重失活。在合成的催化剂中3DOM Mn0.3Ce0.6Nd0.1O2催化剂催化碳烟燃烧活性和热老化性能最好。

目录

1 绪 论

1.1 引言

1.2 柴油车尾气的组成和危害

1.3 柴油车尾气控制技术

1.4 柴油车尾气碳烟燃烧催化剂及催化机理

1.5 研究思路与研究内容

2 实验内容与方法

2.1 实验试剂和仪器

2.2 催化剂制备

2.3 催化剂物化性质表征

2.4 催化剂活性评价

3 MnOx-CeO2碳烟燃烧催化剂的性能研究

3.1 引言

3.2 制备方法和MnOx含量对催化剂性能的影响

3.3 催化活性分析

3.4 老化对MnCeOx催化剂性能的影响

3.5 本章小结

4 Nd掺杂的MnOx-CeO2碳烟燃烧催化剂的性能研究

4.1 引言

4.2 Nd掺杂对MnOx-CeO2催化剂性能的影响

4.3 催化活性分析

4.4 老化对MnCeNdOx催化剂性能的影响

4.5 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间取得的科研成果