基于静电纺技术制备氧化铝纳微米纤维及其在催化载体中的应用研究

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本文利用Al2O3良好的物化性能,采用静电纺丝技术制备高比表面积的Al2O3纳微米纤维多孔材料,结合化学镀钯(Pd)工艺,开发一种新型尾气净化用纳微米纤维负载型催化材料。   首先采用有限元方法(FEM)对针式电极静电场系统进行三维模拟仿真,仿真结果表明:纺丝系统最大电场强度、单位静电力与电压、接收盘半径成正比,与接收距离增加、针管长度成反比;针对有机无机共混纺丝液体系特点,引入电化学的双电层理论描述了有机无机混合带电液滴电荷迁移规律及表面电荷形成机制,构建液滴表面电荷模型,并分析了表面液滴受力、射流形成过程。   文中配置出PVA/Al(NO3)3和PVP/AlCl3两种有机无机共混纺丝液体系,采用自制针式静电纺丝技术均成功纺制PVA/Al(NO3)3和PVP/AlCl3有机无机杂化纤维,再经高温煅烧后制备出200~2000 nmAl2O3纳微米纤维,研究了不同溶液浓度、有机无机配比、施加电压、接收距离、煅烧温度等工艺对纤维形貌、结构的影响;研究发现,PVP/AlCl3丝液体系可纺性要优于PVA/Al(NO3)3体系,其较佳的电纺工艺为:PVP溶液浓度为6%,PVP/AlCl3配比为3:1.5~3:2,纺丝电压范围为30 kV~35 kV,接收距离为15~20 cm。   以自制的电纺纳微米纤维多孔材料为载体,探讨了敏化活化法、乙二醇还原法和铁丝预氧化法三种不同化学镀钯方法的镀钯效果,结果表明:铁丝预活化化学镀中,Pd粒均匀地附着在纳微米纤维多孔材料中的单根纤维表面,是一种较为理想的纳微米纤维多孔材料化学镀钯方法,其较佳的施镀工艺为:施镀温度约70℃,施镀时间为40 min,该方法制备的Pd/γ-Al2O3纳微米纤维催化材料在400℃下CO、HC和NO转化率分别为91.5%、86.4%和85.5%。   最后,借助计算流体动力学(CFD)技术模拟仿真不同出口管径、纤维直径、孔隙率和入口速度情况下尾气净化器的尾气流动特性。三维模拟结果表明,净化器出口管直径的增大,可大大降低催化净化器中的内部压强;纤维直径越细、孔隙率越小,多孔材料中气流速度越小且均匀,有助于提高催化净化器中载体材料的催化效率,但净化器入口和内部压强将大幅增加。  
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