CexMn1-xO2对柴油机颗粒物催化氧化的试验研究

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柴油机具备良好的燃油经济性,工作稳定且兼具强劲动力,因而比汽油机具备更普遍的应用,但是柴油机颗粒物的排放也对排气净化技术要求更高。催化颗粒物氧化是一种定向的、高效的且极具应用前景的柴油机颗粒物净化方式。相比于复杂的排气后处理系统,催化剂廉价的、高效的且选择性的催化氧化还原使得其可以大范围的推广及应用,这也是国内外学者及跨学科领域的重要研究方向。本文针对萤石晶相的稀土基催化剂及其嵌入式担载的复合氧化物催化剂在催化柴油机颗粒物氧化过程中的催化活性及反应机理开展了一系列的试验研究,具体研究内容如下:(1)采用正反向沉淀法配合不同沉淀工艺制备了具备3组不同微观结构的CeO2催化剂样品,表面微观形貌研究发现,反向沉淀过程配合无水乙醇处理,CeO2催化剂具备更加分散的表面结构,表面孔结构广袤深邃。3组CeO2催化剂亚晶尺寸分别为20nm、11nm和8nm。它们具有相同的氧物种,随着亚晶尺寸的减小,表面晶格氧的活化温度降低,流动性增加,表面吸附态氧的数量浓度增加。CeO2催化剂的加入,可以促进颗粒物中过渡态物质的氧化燃烧,颗粒物中碳烟的起燃温度和失重率峰值温度降低。CeO2更小亚晶尺寸与更大比表面积对颗粒的催化氧化效果更好。(2)采用柠檬酸络合燃烧法制备的CexMn1-xO2(x=1.0、0.9、0.7、0.5和0.3)催化剂,Mn嵌入式的担载并未改变CeO2的晶型结构。Mn担载量的增加抑制了亚晶尺寸的增大,促进了比表面积的增加。同时,Mn的担载增加了催化剂中Ce 3d亚层电子由基态跃迁至激发态的电子总量。当x=0.9时,CexMn1-xO2催化剂的Ce 3d电子跃迁最活跃。随着Mn担载量的增加,Ce 3d亚层电子的跃迁呈现减少的趋势,但催化剂的表面晶格氧及氧空位逐渐增多,且催化剂表面的Ce离子多以正四价态存在,催化剂的氧化性能增加。同时,催化剂的表面吸附态氧及表面晶格氧活性先增强后减弱,当x=0.5时,Ce0.5Mn0.5O2的表面氧物种均呈现最佳氧化活性。Mn的加入可以促进CeO2对柴油机颗粒物的催化氧化性能。(3)以催化剂Ce0.5Mn0.5O2作为涂敷样品,分别从固含量与涂敷方式对DPF载体的压降进行了研究。结果表明,采用真空负压吸取式涂敷方法,对DPF载体造成的压降影响较小;3组试验DPF的背压增长曲线显示,在上载量为42g/L,催化剂固含量50g时,在保证催化剂性能的同时能兼顾涂敷对DPF载体造成的压降影响,10h的颗粒物上载使得DPF的背压由2.5kPa增加至7.22kPa。DPF的离线再生试验表明,催化剂的加入显著降低了颗粒物的起燃温度。
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