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铈铁基复合氧化物的制备及其催化碳烟燃烧性能研究

作　者: 晏冬霞
导　师: 王华
学　校: 昆明理工大学
专　业: 化学工程
关键词: 碳烟燃烧 Ce1-xFexO2复合氧化物 Ce0.5Fe0.5-xZrxO2符合氧化物回溶体协同作用
分类号: O643.32
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

柴油机凭借其良好的动力性、经济性、耐久性和低二氧化碳排放量等优点而日益受到重视。然而柴油机排放的碳烟对环境造成的污染也日益严重,它不仅对视觉和嗅觉产生不良影响,而且碳烟上常常粘附S02及致癌物质,对环境和人体的危害非常大。由于碳烟的热氧化温度高达600℃以上,而柴油车的正常排气温度为150～450℃,无法直接氧化而除去。使用与碳烟低温燃烧催化剂相结合的过滤器收集碳烟颗粒,同时使碳烟颗粒被催化氧化为CO2而除去,是减少碳烟污染最直接有效的方法。在过滤器中使用的催化剂要求具有良好的催化活性和热稳定性。本研究首先采用水热合成法和简单混合法制备了系列Ce1-xFexO2 (x=0,0.1,0.2, 0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9和1)复合氧化物碳烟燃烧催化剂,利用XRD、BET、Raman和H2-TPR等技术对催化剂进行了表征,采用程序升温氧化反应(TPO)技术评价了它们的碳烟燃烧催化活性,探讨了催化剂的表面状态和体相结构与催化性能的相关性,找出影响催化剂活性的关键因素。结果表明,部分Fe3+进入Ce02晶格中形成了铈铁固溶体,大量游离的Fe2O3高度分散在催化剂表面。固溶体形成而导致的氧空位能吸附活性氧,而表面高度分散的氧化铁既具有良好的氧化还原性能,且可以促进反应气氛中氧在催化剂表面的活化,还能促进Ce02晶格氧的活化,提高Ce02晶格氧的溢出速率,二者协同作用才能使催化剂显示出最好的催化活性。在系列Ce1-xFexO2复合氧化物中,Ce0.8Fe0.2O2和Ce0.4Fe0.6O2两个样品显示了最好的碳烟燃烧催化活性,其催化碳烟的起燃温度(Τi)和峰顶温度(Τp)较低,分别为262和314℃及255和314℃。历经长时间高温老化后,其催化活性均有所降低,其Τi和Τp分别增加为292和392℃及291和382℃。基于Ce1-XFeX02复合氧化物虽然具有较好的催化活性,但是其热稳定性有待进一步提高,本论文还研究了采用水热合成法制备的锆掺杂的Ce0.5Fe0.5-xZrxO2(X=0,0.05, 0.10,0.15,0.20,0.25,0.30,0.35,0.40,0.45)复合氧化物碳烟燃烧催化剂。其XRD、BET、Raman和H2-TPR等表征和TPO活性评价结果表明,Ce1-xFexO2复合氧化物中掺杂Zr02不仅能提高固溶体的形成量,从而进一步提高碳烟燃烧催化活性,而且还能提高材料的抗烧结能力,稳定材料的结构,可以抑制材料晶粒的增长和固溶体的消失。较Ce1-xFexO2二元复合氧化物而言,Ce0.5Fe0.5-xZrxO2三元复合氧化物显示了更高的催化活性和热稳定性,其中活性最好的Ce0.5Fe0.30Zr0.20O2样品,其催化碳烟的Τi和Τp降低为251℃和310℃,△Τ仅为59℃。长时间高温老化后,其仍表现出较高的催化活性,Τi和Τp分别为273和361℃。考虑到制备方法对催化剂结构和性能的影响很大,本研究最终以筛选出的活性最好的Ce0.5Fe0.30Zr0.20O2复合氧化物为研究目标,考虑了水热合成法、机械混合法、浸渍法、模板法、溶胶凝胶法及共沉淀法等六种不同制备方法对其碳烟燃烧催化活性的影响,结果显示,采用水热合成法制备的催化剂具有最好的催化活性和热稳定性。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-10
第一章绪论  10-24
  引言  10
  1.1 柴油机排放碳烟的组成与危害  10-12
    1.1.1 碳烟颗粒物的形成与特点  10-11
    1.1.2 碳烟颗粒物的危害  11-12
  1.2 碳烟污染物处理方案  12-14
    1.2.1 燃料的改进或使用新型替代燃料  12
    1.2.2 柴油车发动机的改进  12-13
    1.2.3 柴油机尾气排放后处理技术  13-14
  1.3 碳烟污染物处理催化剂  14-17
    1.3.1 贵金属催化剂  14-15
    1.3.2 非贵金属催化剂  15-17
  1.4 碳烟污染物处理催化剂存在的问题  17
  1.5 催化剂的制备方法  17-21
    1.5.1 机械混合法  18
    1.5.2 浸渍法  18-19
    1.5.3 沉淀法  19
    1.5.4 溶胶凝胶法  19-20
    1.5.5 离子交换法  20
    1.5.6 热熔融法  20
    1.5.7 热分解法  20
    1.5.8 水热合成法  20-21
    1.5.9 其他方法  21
  1.6 本论文研究的目的和意义  21-22
  1.7 本论文研究的主要内容  22-24
第二章实验部分  24-36
  2.1 主要化学试剂和实验仪器  24-25
    2.1.1 主要化学试剂  24-25
    2.1.2 主要实验仪器设备  25
  2.2 催化剂的制备  25-33
    2.2.1 Ce_(1-x)Fe_xO_2催化剂的制备  25-27
    2.2.2. Ce_(0.5)Fe_(0.5-x)Zr_xO_2催化剂的制备  27-33
  2.3 催化剂的表征  33-34
    2.3.1 晶体结构分析(XRD)  33
    2.3.2 比表面积测量(BET)  33
    2.3.3 拉曼测试(Raman Spectroscopy)  33
    2.3.4 氢气程序升温还原(H_2-TPR)分析  33-34
  2.4 催化剂的活性评价  34-36
    2.4.1 评价条件及其装置  34
    2.4.2 催化剂的活性评价方法  34-36
第三章 Ce_(1-x)Fe_xO_2催化剂的结构及其催化碳烟燃烧性能  36-53
  3.1 引言  36-37
  3.2 Ce_(1-x)Fe_xO_2催化剂的结构表征及分析  37-47
    3.2.1 Ce_(1-x)Fe_xO_2催化剂的XRD测试结果  37-41
    3.2.2 Ce_(1-x)Fe_xO_2催化剂的Raman测试结果  41-44
    3.2.3 Ce_(1-x)Fe_xO_2催化剂的H_2-TPR测试结果  44-46
    3.2.4 Ce_(1-x)Fe_xO_2催化剂的BET测试结果  46-47
  3.3 Ce_(1-x)Fe_xO_2催化剂催化碳烟燃烧性能  47-51
    3.3.1 Ce_(1-x)Fe_xO_2催化剂的活性评价  47-51
    3.3.2 小结  51
  3.4 本章小结  51-53
第四章 Ce_(0.5)Fe_(0.5-x)Zr_xO_2催化剂的结构及其催化碳烟燃烧性能  53-68
  4.1 引言  53-54
  4.2 Ce_(0.5)Fe_(0.5-x)Zr_xO_2催化剂的结构表征及分析  54-63
    4.2.1 Ce_(0.5)Fe_(0.5-x)Zr_xO_2催化剂的XRD测试结果  54-58
    4.2.2 Ce_(0.5)Fe_(0.5-x)Zr_xO_2催化剂的Raman测试结果  58-61
    4.2.3 Ce_(0.5)Fe_(0.5-x)Zr_xO_2催化剂的H_2-TPR测试结果  61-62
    4.2.4 Ce_(0.5)Fe_(0.5-x)Zr_xO_2催化剂的BET测试结果  62-63
  4.3 Ce_(0.5)Fe_(0.5-x)Zr_xO_2催化剂催化碳烟燃烧性能  63-67
    4.3.1 Ce_(0.5)Fe_(0.5-x)Zr_xO_2催化剂的活性评价  63-66
    4.3.2 小结  66-67
  4.4 本章小结  67-68
第五章制备方法对Ce_(0.5)Fe_(0.30)Zr_(0.20)O_2催化剂结构与性能的影响  68-79
  5.1 引言  68
  5.2 Ce_(0.5)Fe_(0.30)Zr_(0.20)O_2催化剂的结构表征及分析  68-75
    5.2.1 Ce_(0.5)Fe_(0.30)Zr_(0.20)O_2催化剂的XRD测试结果  68-72
    5.2.2 Ce_(0.5)Fe_(0.30)Zr_(0.20)O_2催化剂的Raman测试结果  72-74
    5.2.3 Ce_(0.5)Fe_(0.30)Zr_(0.20)O_2催化剂的BET测试结果  74-75
  5.3 Ce_(0.5)Fe_(0.30)Zr_(0.20)O_2催化剂催化碳烟燃烧性能  75-77
    5.3.1 Ce_(0.5)Fe_(0.30)Zr_(0.20)O_2催化剂的活性评价  75-77
    5.3.2 小结  77
  5.4 本章小结  77-79
第六章总结与展望  79-83
  6.1 研究总结  79-80
  6.2 展望  80-83
参考文献  83-93
致谢  93-94
附录  94-95

铈铁基复合氧化物的制备及其催化碳烟燃烧性能研究

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