纳米阵列基氧化物催化剂对碳烟颗粒的催化燃烧性能研究

摘要

碳烟（soot）颗粒是柴油车尾气中的主要污染物之一，它能引起各种环境污染问题，严重威胁人类的身体健康，如与PM2.5相关的大气污染。因此，消除碳烟污染十分紧迫，目前，催化燃烧技术被认为是最有前景的碳烟消除后处理技术。本文在纳米尺度范围内设计出适合碳烟燃烧反应体系的催化剂微观形貌与结构，制备出一系列阵列基式氧化物催化剂，考察了其催化soot燃烧的性能。
　　首先，我们进行了一系列探索性实验，采用不同的反应条件在铜基底上合成了不同形貌的一维 CuO阵列基催化剂，并研究了形貌对催化活性的影响。在所有制备的样品中，通过高温焙烧Cu箔所得到的垂直生长的CuO纳米棒阵列是最优的催化剂，它完全覆盖在基底Cu表面。活性测试结果表明：相比粉末CuO，其具有更好的催化性能。此外，我们在纳米棒表面成功负载了CeO2纳米微晶以进一步提高碳烟燃烧活性。
　　然而，棒与棒间距较大（300 nm左右），部分soot由于易在棒之间聚集而不能有效接触催化剂。为了克服这一缺陷，我们用大孔 TiO2纳米管取代纳米棒催化剂。采用阳极氧化法制得管径约140 nm的垂直有序的TiO2纳米管阵列，碳烟沉降到管内后被限制在有限区域，从而能更好地接触活性位。此外，我们还通过三种不同方法分别在管内负载活性 Co物种。同时，还制备了TiO2-P和Co3O4/TiO2-P作为对比催化剂。结果表明，所有的管式载体催化剂都比传统的粉末载体催化剂活性好，这是因为 TiO2纳米管阵列不仅具有更大的可利用比表面积，还能够提高碳烟与催化剂的接触效率。其中巯基乙酸修饰法(SG)合成的Co3O4/TiO2-NA催化剂表现出最好的催化活性。但是，该法也有一定的缺陷，及纳米管很长，能负载到管内的活性组分的量很少。
　　为了弥补上一体系的不足，我们又采用水热法在Ti基底上合成了致密的Fe2O3纳米棒阵列结构，并用化学浴沉积法负载Co3O4纳米粒子。系统研究了负载量对阵列基催化剂结构及碳烟燃烧活性的影响。结果表明，致密的纳米棒比普通催化剂表现出更好的活性。负载型催化剂活性都优于单独Fe2O3纳米棒，负载量适中的样品由于Co物种粒径较小且分布均匀而表现出最佳活性。

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第一章 绪论

1.1 纳米材料及纳米催化

1.2 纳米阵列基材料

1.3 TiO2纳米管

1.4 汽车尾气中碳烟催化氧化反应概述

1.5 论文工作设计

第二章 一维CuO阵列基催化剂的合成及其soot燃烧性能研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 实验结果与讨论

2.4 本章小结

第三章 Co3O4纳米粒子改性的TiO2纳米管催化剂碳烟燃烧性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 实验结果与讨论

3.4 本章小结

第四章Co3O4纳米粒子改性的致密Fe2O3纳米棒催化剂的碳烟燃烧性能研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章总结

第五章 结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢