锰—铈基材料和La1-xMxCoO3钙钛矿用于碳黑和Nox共消除的研究

摘要

柴油发动机以其良好的燃油经济性和动力学特性在各种动力装置和车辆上得到了广泛应用。然而柴油机尾气排放对环境造成了严重的污染，由于其碳黑颗粒和NOx排放量较高，被人体吸入后对呼吸道和肺造成严重损害，甚至可能致癌。如何制备高活性催化剂同时消除柴油机尾气中碳颗粒和氮氧化物是应用催化和环保研究领域中一个极为重要方向。本论文主要研究了在松散接触条件下，锰-铈基氧化物和LaCoO3系列钙钛矿催化剂在碳黑和氮氧化物共消除反应中的催化性能。
　　 以KMnO4为前体制备不同(Mn/Ce)比例的MnOx-CeO2复合氧化物催化剂，并研究其在催化碳黑和NOx反应中的催化作用，结果表明：(1)Mn/Ce比例对催化剂的活性有较大影响；(2)此系列催化剂中有两个活性中心即：活性氧和高价锰。这在目前研究领域中尚未报道。通过制备经高温焙烧的Mn25Ce75复合氧化物催化剂并通过表征和活性研究进一步证明了上述结论的成立。
　　 在MnOx-CeO2复合氧化物催化剂上分别担载不同量的碱金属(K)，碱土金属(Ba)和贵金属(Pt)制备催化剂，研究结果表明：(1)通过浸渍法制备的不同K负载量的系列催化剂中，负载少量的K可以改善Mn1Ce3催化剂活性。这与KNO3的熔融温度和分解温度低有关。(2)通过改变焙烧温度、担载量和载体的制备方法制备了三系列负载Ba的催化剂，结果表明以KMnO4为前体用共沉淀法制备的Mn1Ce3催化剂载体上担载量为12 wt％的催化剂活性最好，其Tp=370℃。(3)在催化剂Mn1Ce3上担载少量贵金属Pt，发现担载后的催化剂对碳黑燃烧的活性并没有提高，反而有些下降。这可能是在制备中使用的氯铂酸中含有的Cl-容易使催化剂失活。此部分工作有待进一步改进制备方法。
　　 采用络合燃烧法制备了不同的LaCoO3系列钙钛矿催化剂，比较了碱金属(K)、碱土金属元素(Sr)和稀土金属(Ce)部分取代A位La离子对催化活性的影响；Fe部分取代B位元素对催化剂活性的影响。研究结果表明：掺杂一定量的K+后LaCoO3催化剂活性将会提高，而Sr2+和Ce3+的引入会导致LaCoO3催化剂活性降低；Fe元素部分取代B位Co离子使催化剂的活性有所提高。

目录

文摘

英文文摘

1 引言

1.1 文献综述

1.2 碳黑与NOx的形成与排放

1.2.1 碳黑的生成机理

1.2.2 NOx的生成机理

1.2.3 世界柴油机排放标准

1.2.4 净化尾气排放中碳黑及NOx的方法

1.3 同时消除碳黑与NOx催化剂的研究进展

1.3.1 贵金属催化剂体系

1.3.2 碱金属催化剂体系

1.3.3 过渡金属催化剂体系

1.3.4 钙钛矿催化剂

1.4 工作思路

1.4.1 本论文的研究意义

1.4.2 本论文的研究内容

2 实验总述

2.1 化学试剂

2.2 催化剂反应装置及分析方法

2.2.1 催化剂反应装置

2.2.2 催化剂反应分析方法

2.3 表征方法

2.3.1 X-射线粉末衍射测试(XRD)

2.3.2 H2-程序升温还原(H2-TPR)

2.2.3 拉曼分析仪(Raman)

3 MnOx-CeO2复合氧化物催化剂上碳黑和NOx共消除的研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 MnOx-CeO2复合氧化物的制备

3.3 MnOx-CeO2催化剂碳黑催化燃烧性能的研究

3.3.1 催化剂的活性测试

3.3.2 催化剂的表征

3.4 焙烧温度对催化剂碳黑催化燃烧性能的影响

3.4.1 催化剂的活性测试

3.4.2 催化剂的表征

3.4.3 讨论

3.5 小结

4 碱金属(K)，碱土金属(Ba)和贵金属(Pt)的引入对MnOx-CeO2催化剂碳黑催化燃烧性能的影响

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 K/Mn1Ce3复合氧化物催化剂的制备

4.2.2 Ba/Mn1Ce3复合氧化物催化剂的制备

4.2.3 Pt/Mn1Ce3复合氧化物的制备

4.3 担载量对K/Mn1Ce3催化剂碳黑催化燃烧性能的影响

4.3.1 催化剂的活性测试

4.3.2 催化剂的表征

4.3.3 催化剂的稳定性测试

4.3.4 催化剂稳定性表征

4.3.5 讨论

4.4 Ba/Mn1Ce3复合氧化物催化剂碳黑催化燃烧性能的研究

4.4.1 焙烧温度和载体对Ba/Mn1Ce3催化剂碳黑催化燃烧性能的影响

4.4.2 Ba的担载量对Ba/Mn1Ce3碳黑催化燃烧性能的影响

4.4.3 讨论

4.5 Pt/Mn1Ce3复合氧化物催化剂碳黑催化燃烧性能的研究

4.5.1 催化剂活性测试

4.5.2 催化剂的表征

4.5.3 讨论

4.6 小结

5 LaCoO3系列钙钛矿催化剂碳黑催化燃烧性能的研究

5.1 引言

5.2 实验部分

5.2.1 钙钛矿催化剂的制备

5.3 碱金属(K)在A位La离子上取代对催化活性的影响

5.3.1 催化剂的活性测试

5.3.2 催化剂的表征

5.3.3 讨论

5.4 碱土金属元素(Sr)在A位La离子上取代对催化活性的影响

5.4.1 催化剂的活性测试

5.4.2 催化剂的表征

5.4.3 讨论

5.5 稀土金属(Ce)在A位La离子上取代对催化活性的影响

5.5.1 催化剂的活性测试

5.5.2 催化剂的表征

5.5.3 讨论

5.5.4 结论

5.6 La0.9K0.1Co1-xFexO3系列对碳黑燃烧催化活性的影响

5.6.1 催化剂的活性测试

5.6.2 催化剂的表征

5.6.3 讨论

5.7 小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的文章目录

致谢