CN115318303A - 一种低温去除柴油车碳烟颗粒的催化剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低温去除柴油车碳烟颗粒的催化剂及其制备方法。通过简单的水热反应制备了结构化铈钴氧化物前驱体,浸渍硝酸银后煅烧,成功将银物种锚定在结构化铈钴氧化物表面,成功制备了用于低温去除柴油车碳烟颗粒的催化剂。基于结构化铈钴氧化物增强的比表面积、更多活性位点、特有的氧空缺结构,与表面的银物种产生了协同作用,增强了碳烟颗粒在表面的反应,能将碳烟颗粒的燃烧温度降至325℃;且该催化剂在与碳烟颗粒的松散接触状态和无氮氧化物存在条件下,对碳烟颗粒都具有高催化活性。

Description

一种低温去除柴油车碳烟颗粒的催化剂及其制备方法
技术领域
本发明属于催化燃烧的技术领域,具体涉及一种低温去除柴油车碳烟颗粒的催化剂及其制备方法。
背景技术
柴油车具有高效的热利用率、成本较低、发动机马力强劲、二氧化碳排放低、适用范围广等优点,在原油出产日益枯竭,二氧化碳排放要求逐渐严格的当前情势下受到了广泛关注,柴油化是国家节能减排治理政策下汽车的趋势方向之一,但柴油车排放物也给大气环境的治理和我国居民的身体健康带来了不利的影响。柴油车排放的尾气中污染物的成分十分复杂,有碳烟颗粒、一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物等。其中,碳烟颗粒是危害最大、最难消除的污染物,其粒度范围为0.05~1μm。柴油车尾气中碳烟颗粒由于粒子直径较小,特别是粒子直径小于2.5μm以下的小颗粒物不易被鼻腔绒毛阻挡,被吸入肺部后会直接进入支气管,影响着肺部的气体交换,引发一系列呼吸道和心血管疾病。同时,碳烟颗粒也是引起雾霾的重要因素。
当前,大气污染防治工作引起很多国家的重视,我国也开始着力于治理大气污染。为满足日益严格的法规要求,解决柴油车排放的碳烟颗粒污染的方法主要有三种:一是对使用的燃料进行改善或是使用新型的环境友好型替代燃料;二是对柴油车的发动机进行改进;三是对排放后处理***进行改进,加装尾气净化***。基于技术和经济的考虑,一般认为第三种方法最为有效。在实际的尾气后处理技术中,固体颗粒捕集器与催化剂相结合的技术是目前研究的重点,其中研制性能优越的催化剂是核心。
CN 107159231A公开了一种低温消除柴油车碳烟颗粒单晶负载型催化剂的制备方法,由单晶α相三氧化二锰立方体浸渍金属盐溶液中制备而成,该催化剂成本低廉、制备方法简单、便于工业化、催化活性高,能很好的降低柴油车碳烟颗粒的燃烧温度。CN103212414 A公开了一种降低碳烟颗粒燃烧温度的负载型银催化剂的制备方法,催化剂包括活性组分和载体,活性组分为银,载体为二氧化铈或铈基复合氧化物,银的负载量为载体质量的1%~20%,该催化剂在碳烟颗粒燃烧中具有良好的氧化活性,能将碳烟颗粒燃烧一半时的温度从642℃降低到400℃左右,达到柴油机运行温度范围内。CN 106824161 A公开了一种微米片状碳烟燃烧催化剂的制备方法,通过将含有铈源或者镧源的溶液与碱性溶液混合,低温沉淀,煅烧不溶物制备而成,该催化剂具有微米片状形貌的稀土金属氧化物型催化剂,其结晶良好且不含任何贵金属,呈现微米片状形貌,可与碳颗粒高效接触,使其催化氧化活性优异,在固体污染物的燃烧降解方面有潜在应用前景。
现有技术中常见的用于碳烟颗粒氧化的催化剂,如:CeO2基化合物、钙钛矿型氧化物、贵金属基催化剂等,因为缺乏孔隙结构而不利于活性位点与碳颗粒的接触、贵金属的高成本和易中毒性,导致催化剂活性不高、容易失去活性,这些因素限制了碳烟颗粒氧化的催化剂的工业化应用。
发明内容
鉴于现有技术的缺陷,本发明的目的是提供一种低温去除柴油车碳烟颗粒的催化剂及其制备方法。该催化剂在松散接触下对碳烟颗粒的催化氧化有很好的效果,能将碳烟颗粒有效转化为二氧化碳,并能显著降低碳烟颗粒的热氧化的温度。
为了实现上述目的,本发明提供了一种低温去除柴油车碳烟颗粒的催化剂的制备方法,包括以下步骤:
步骤1:将可溶性金属盐、乙醇水溶液在搅拌速率300~500r/min下搅拌,形成溶液Ⅰ;用碱性水溶液将溶液Ⅰ的pH调节至9.0~11.0,调节pH后继续搅拌0.5~2h得到溶液Ⅱ;将溶液Ⅱ在160~180℃下水热反应6~15h,自然冷却至25~30℃,将不溶物过滤,用乙醇和水各洗三次,在80~120℃下干燥6~12h,得到固体粉末;
步骤2:将步骤1获得的固体粉末分散在水中,在超声功率为50~200W,频率20~130kHz,温度20~40℃,超声20~60min,形成悬浊液a;将硝酸银加入到以搅拌速率300~500r/min搅拌的悬浊液a中,反应0.5~2h得到悬浊液b,停止搅拌,将悬浊液b转移至90~120℃保持12~18h蒸干悬浊液b的水分,收集固体物质,将固体物质在400~600℃下煅烧2~5h;煅烧后的固体物质粉碎过300~500目筛网,收集筛网下的粉末,即为消除柴油车碳烟颗粒的催化剂。
优选的,步骤1中的可溶性金属盐、乙醇水溶液的质量比为1:(30~50)。
所述的可溶性金属盐为可溶性钴盐或可溶性铈盐;所述可溶性钴盐为六水合硝酸钴(Ⅱ)、四水合乙酸钴(Ⅱ)、六水合氯化钴(Ⅱ)中的一种;所述可溶性铈盐为六水合硝酸铈(Ⅲ)、七水合氯化铈(Ⅲ)中的一种。
所述的乙醇水溶液的质量分数为60~80%。
所述的碱性水溶液为1~3mol/L的氨水水溶液、氢氧化钠水溶液、碳酸氢钠水溶液、碳酸钠水溶液中的一种。
单一的金属氧化物催化剂对碳烟颗粒物的催化氧化性能主要受金属氧化物的氧化还原能力、表面活性物种的流动性以及与碳烟颗粒的接触的影响。一般条件,单一的金属氧化物催化剂对碳烟颗粒的催化燃烧性能提升不明显,需要达到500℃以上才能将碳烟颗粒有效燃烧,催化燃烧形成二氧化碳的选择性也不理想。复合金属氧化物催化剂,是将两种或两种以上的金属元素复合而成的催化剂,其对碳烟颗粒物的催化氧化性能主要受金属氧化物自身催化活性以及不同组分间的协同催化作用相关。许多研究已显示,复合金属氧化物受益于单组份金属氧化物间晶相变化、结构中增强的氧物种储存和组分间的协同作用,可以显著提高催化剂的催化燃烧性能。
更优选的,步骤1中可溶性金属盐中可溶性钴盐和可溶性铈盐的质量比为1:(3~5)。
优选的,步骤2中所述的固体粉末与水的质量比为(0.02~0.05):1;加入硝酸银与固体粉末的质量比为(1:10)~(1:30)。
金属氧化物的催化性能很大程度上取决于其结构。水热或溶剂热制备金属氧化物过程中,在前驱体溶液中结构调节物质可以制备各种形貌的金属氧化物。表面活性剂是最常使用的结构调节物质。然而,表面活性剂难以除去,一些特定功能的表面活性剂价格昂贵。低分子糖在水热或溶剂热的温度和压力下,会发生聚合反应生成寡聚体,这样的寡聚体对液相环境中的金属离子有结构调控作用。因此,在金属前驱体溶液中加入糖,在一定的反应条件下可以对形成的金属氧化的结构起到调控作用。
一些低分子含氮物质在液相环境中对金属离子的配位性较强,能调控早期形成的金属氧化物前体的晶核生长速率和方向,也能对金属氧化的结构起到调控作用。
进一步优选的,所述的低温去除柴油车碳烟颗粒的催化剂的制备方法,包括以下步骤:
步骤1:将可溶性钴盐、可溶性铈盐、糖、乙醇水溶液在搅拌速率300~500r/min下搅拌,形成溶液Ⅰ;用碱性水溶液将溶液Ⅰ的pH调节至9.0~11.0,调节pH后加入含氮物质,继续搅拌0.5~2h得到溶液Ⅱ;将溶液Ⅱ在160~180℃下水热反应6~15h,自然冷却至25~30℃,将不溶物过滤,用乙醇和水各洗三次,在80~120℃下干燥6~12h,得到固体粉末。
步骤2:将步骤1获得的固体粉末分散在水中,在超声功率为50~200W,频率20~130kHz,温度20~40℃,超声20~60min,形成悬浊液a;将硝酸银加入到以搅拌速率300~500r/min搅拌的悬浊液a中,反应0.5~2h得到悬浊液b,停止搅拌,将悬浊液b在90~120℃环境保持12~18h,蒸干悬浊液b的水分,收集固体物质,将固体物质在400~600℃下煅烧2~5h;煅烧后的固体物质粉碎过300~500目筛网,收集筛网下的粉末,即为消除柴油车碳烟颗粒的催化剂。
优选的,步骤1中加入的可溶性铈盐、可溶性钴盐、可溶性铈盐糖、乙醇水溶液的质量比为的质量比为(0.2~2):(0.2~2):(0.1~0.5):(30~50)。
所述的可溶性钴盐为六水合硝酸钴(Ⅱ)、四水合乙酸钴(Ⅱ)、六水合氯化钴(Ⅱ)中的一种,可溶性铈盐为六水合硝酸铈(Ⅲ)、七水合氯化铈(Ⅲ)中的一种。
所述的糖为葡萄糖、蔗糖、乳糖中的一种、两种或多种的组合。
所述的乙醇水溶液的质量分数为60~80%。
所述的碱性水溶液为1~3mol/L的氨水水溶液、氢氧化钠水溶液、碳酸氢钠水溶液、碳酸钠水溶液中的一种。
所述的含氮物质与可溶性金属盐的质量比为(2~5):1;所述的含氮物质为六亚甲基四胺、尿素、甘氨酸、乙二胺、六甲基二硅氮烷、四甲基二乙烯基二硅氮烷中的一种、两种或多种的组合。
优选的,步骤2中所述的固体粉末与水的质量比为(0.02~0.05):1;加入硝酸银与固体粉末的质量比为(1:10)~(1:30)。
本发明的有益效果:
(1)本发明通过简单的水热反应制备了结构化铈钴氧化物前驱体,浸渍硝酸银后煅烧,成功将银物种锚定在结构化铈钴氧化物表面,成功制备了用于低温去除柴油车碳烟颗粒的催化剂,制备过程简单,原料易得、无毒或低毒,适合于工业放大生产。
(2)本发明制备的碳烟颗粒催化剂对于模拟柴油车尾气的碳烟颗粒的催化,能有效将碳烟颗粒转化为二氧化碳;基于结构化二氧化铈、四氧化三钴和银的协同作用,本发明制备的催化剂在与碳烟颗粒的松散接触状态和无氮氧化物存在条件下,对碳烟颗粒都具有高催化活性;且能将碳烟颗粒的燃烧温度降至325℃。
附图说明
图1为本发明制备的低温去除柴油车碳烟颗粒的催化剂的扫描电镜图,(A)实施例3,(B)实施例4,(C)实施例5,(D)实施例6。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下具体实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1一种碳烟颗粒催化剂的制备方法
(1)将3.5g六水合硝酸钴在300r/min搅拌速率下溶解于100g质量分数为70%的乙醇的水溶液,形成溶液Ⅰ;用2mol/L的氨水水溶液将溶液Ⅰ的pH调节至9.5,继续以300r/min搅拌速率搅拌1h,形成溶液Ⅱ;将溶液Ⅱ转移至聚四氟乙烯内胆,装入不锈钢反应釜,将反应釜置于180℃反应8h,自然冷却至25℃,将不溶物过滤,用乙醇和水各洗三次,在恒温烘箱80℃下干燥6h,得到固体粉末;
(2)将步骤1得到的固体粉末5g分散于含有100g水的烧杯中,在超声功率100W、频率50kHz、温度25℃下超声30min,得到悬浊液a;将0.2g硝酸银溶解于以300r/min搅拌速率搅拌的悬浊液a,搅拌反应1h,得到悬浊液b,停止搅拌,将装有悬浊液b的烧杯转移至恒温烘箱在120℃下干燥12h,蒸干悬浊液b的水分,收集剩余的固体物质,将固体物质置于550℃马弗炉下煅烧2h;将煅烧后的固体物质粉碎后过300目筛网,收集筛网下的粉末,得到银掺四氧化三钴,即为本实施例制备的催化剂。
实施例2一种碳烟颗粒催化剂的制备方法
(1)将3.5g六水合硝酸铈在300r/min搅拌速率下溶解于100g质量分数为70%的乙醇的水溶液,形成溶液Ⅰ;用2mol/L的氨水水溶液将溶液Ⅰ的pH调节至9.5,继续以300r/min搅拌速率搅拌1h,形成溶液Ⅱ;将溶液Ⅱ转移至聚四氟乙烯内胆,装入不锈钢反应釜,将反应釜置于180℃反应8h,自然冷却至25℃,将不溶物过滤,用乙醇和水各洗三次,在恒温烘箱80℃下干燥6h,得到固体粉末;
(2)将步骤1得到的固体粉末5g分散于含有100g水的烧杯中,在超声功率100W、频率50kHz、温度25℃下超声30min,得到悬浊液a;将0.2g硝酸银溶解于以300r/min搅拌速率搅拌的悬浊液a,搅拌反应1h,得到悬浊液b,停止搅拌,将装有悬浊液b的烧杯转移至恒温烘箱在120℃下干燥12h,蒸干悬浊液b的水分,收集剩余的固体物质,将固体物质置于550℃马弗炉下煅烧2h;将煅烧后的固体物质粉碎后过300目筛网,收集筛网下的粉末,得到银掺二氧化铈,即为本实施例制备的催化剂。
实施例3一种碳烟颗粒催化剂的制备方法
(1)将2.8g六水合硝酸铈、0.7g六水合硝酸钴在300r/min搅拌速率下溶解于100g质量分数为70%的乙醇的水溶液,形成溶液Ⅰ;用2mol/L的氨水水溶液将溶液Ⅰ的pH调节至9.5,继续以300r/min搅拌速率搅拌1h,形成溶液Ⅱ;将溶液Ⅱ转移至聚四氟乙烯内胆,装入不锈钢反应釜,将反应釜置于180℃反应8h,自然冷却至25℃,将不溶物过滤,用乙醇和水各洗三次,在恒温烘箱80℃下干燥6h,得到固体粉末;
(2)将步骤1得到的固体粉末5g分散于含有100g水的烧杯中,在超声功率100W、频率50kHz、温度25℃下超声30min,得到悬浊液a;将0.2g硝酸银溶解于以300r/min搅拌速率搅拌的悬浊液a,搅拌反应1h,得到悬浊液b,停止搅拌,将装有悬浊液b的烧杯转移至恒温烘箱在120℃下干燥12h,蒸干悬浊液b的水分,收集剩余的固体物质,将固体物质置于550℃马弗炉下煅烧2h;将煅烧后的固体物质粉碎后过300目筛网,收集筛网下的粉末,得到银掺钴铈双金属氧化物,即为本实施例制备的催化剂。
实施例4一种碳烟颗粒催化剂的制备方法
(1)将2.8g六水合硝酸铈、0.7g六水合硝酸钴、1g葡萄糖在300r/min搅拌速率下溶解于100g质量分数为70%的乙醇的水溶液,形成溶液Ⅰ;用2mol/L的氨水水溶液将溶液Ⅰ的pH调节至9.5,继续以300r/min搅拌速率搅拌1h,形成溶液Ⅱ;将溶液Ⅱ转移至聚四氟乙烯内胆,装入不锈钢反应釜,将反应釜置于180℃反应8h,自然冷却至25℃,将不溶物过滤,用乙醇和水各洗三次,在恒温烘箱80℃下干燥6h,得到固体粉末;
(2)将步骤1得到的固体粉末5g分散于含有100g水的烧杯中,在超声功率100W、频率50kHz、温度25℃下超声30min,得到悬浊液a;将0.2g硝酸银溶解于以300r/min搅拌速率搅拌的悬浊液a,搅拌反应1h,得到悬浊液b,停止搅拌,将装有悬浊液b的烧杯转移至恒温烘箱在120℃下干燥12h,蒸干悬浊液b的水分,收集剩余的固体物质,将固体物质置于550℃马弗炉下煅烧2h;将煅烧后的固体物质粉碎后过300目筛网,收集筛网下的粉末,得到片状银掺钴铈双金属氧化物,即为本实施例制备的催化剂。
实施例5一种碳烟颗粒催化剂的制备方法
(1)将2.8g六水合硝酸铈、0.7g六水合硝酸钴在300r/min搅拌速率下溶解于100g质量分数为70%的乙醇的水溶液,形成溶液Ⅰ;用2mol/L的氨水水溶液将溶液Ⅰ的pH调节至9.5,加入8g四甲基二乙烯基二硅氮烷,继续以300r/min搅拌速率搅拌1h,形成溶液Ⅱ;将溶液Ⅱ转移至聚四氟乙烯内胆,装入不锈钢反应釜,将反应釜置于180℃反应8h,自然冷却至25℃,将不溶物过滤,用乙醇和水各洗三次,在恒温烘箱80℃下干燥6h,得到固体粉末;
(2)将步骤1得到的固体粉末5g分散于含有100g水的烧杯中,在超声功率100W、频率50kHz、温度25℃下超声30min,得到悬浊液a;将0.2g硝酸银溶解于以300r/min搅拌速率搅拌的悬浊液a,搅拌反应1h,得到悬浊液b,停止搅拌,将装有悬浊液b的烧杯转移至恒温烘箱在120℃下干燥12h,蒸干悬浊液b的水分,收集剩余的固体物质,将固体物质置于550℃马弗炉下煅烧2h;将煅烧后的固体物质粉碎后过300目筛网,收集筛网下的粉末,得到片状银掺钴铈双金属氧化物,即为本实施例制备的催化剂。
实施例6一种碳烟颗粒催化剂的制备方法
(1)将2.8g六水合硝酸铈、0.7g六水合硝酸钴、1g葡萄糖在300r/min搅拌速率下溶解于100g质量分数为70%的乙醇的水溶液,形成溶液Ⅰ;用2mol/L的氨水水溶液将溶液Ⅰ的pH调节至9.5,加入8g四甲基二乙烯基二硅氮烷,继续以300r/min搅拌速率搅拌1h,形成溶液Ⅱ;将溶液Ⅱ转移至聚四氟乙烯内胆,装入不锈钢反应釜,将反应釜置于180℃反应8h,自然冷却至25℃,将不溶物过滤,用乙醇和水各洗三次,在恒温烘箱80℃下干燥6h,得到固体粉末;
(2)将步骤1得到的固体粉末5g分散于含有100g水的烧杯中,在超声功率100W、频率50kHz、温度25℃下超声30min,得到悬浊液a;将0.2g硝酸银溶解于以300r/min搅拌速率搅拌的悬浊液a,搅拌反应1h,得到悬浊液b,停止搅拌,将装有悬浊液b的烧杯转移至恒温烘箱在120℃下干燥12h,蒸干悬浊液b的水分,收集剩余的固体物质,将固体物质置于550℃马弗炉下煅烧2h;将煅烧后的固体物质粉碎后过300目筛网,收集筛网下的粉末,得到三维互联多孔结构的银掺钴铈双金属氧化物,即为本实施例制备的催化剂。
测试例1催化剂的形貌
用扫描电镜对实施例3、实施例4、实施例5、实施例6制备的催化剂进行表征,结果见图1。
对实施例3、实施例4、实施例5、实施例6制备的催化剂进行了比表面积和孔结构测试。利用Brunauer-Emmett-Teller(BET)模型计算得到比表面积,Barren-Joyner-Halenda(BJH)模型计算孔径(Dp)分布。结果如表1所示。
表1 比表面积测试结果
BET比表面积(m<sup>2</sup>/g) D<sub>p</sub>(nm)
实施例3 68.7 12.8
实施例4 83.6 14.6
实施例5 98.1 18.3
实施例6 127.3 25.6
由图1可以看出没有加入葡萄糖和四甲基二乙烯基二硅氮烷的实施例3呈现出块状;加入葡萄糖制备的实施例4和加入四甲基二乙烯基二硅氮烷制备的实施例5呈现出明显的片层状结构。这是因为在水热条件下,葡萄糖聚合形成的寡聚体和四甲基二乙烯基二硅氮烷的配位吸引作用对金属氧化物前驱体有调解作用,使其沿着平面方向成核生长。此外,加入葡萄糖和四甲基二乙烯基二硅氮烷制备的实施例6呈现出明显的三维互联多孔的结构,有明显的大孔(>50nm)存在。这表明葡萄糖和四甲基二乙烯基二硅氮烷对于复合金属氧化物的结构有协同的调节作用。可能是因为葡萄糖在高温下聚合成寡聚体对金属氧化物前驱体的结构有调节效果,能将金属氧化物前驱体晶核聚合成片状并不断生长,水热反应结束后形成了片状金属氧化物前驱体;四甲基二乙烯基二硅氮烷的加入使得金属氧化物前驱体晶核随着醇和金属离子配位的层状结构快速生长,随着反应进行,片状结构进一步生长并自组装聚合形成三维多孔结构化的金属氧化物前驱体,最终的煅烧处理制备了银掺三维多孔结构的结构化金属氧化物催化剂。
比表面积测试与扫描电镜测试结果一致,加入葡萄糖和四甲基二乙烯基二硅氮烷提升了催化剂的比表面积和孔径分布。实施例6独特的三维互联多孔结构,可以容纳更多的碳烟颗粒、提供更多的活性位点,可能更加适用于碳烟颗粒的催化燃烧。
测试例2催化剂的催化活性
催化剂的催化活性评价通过程序升温氧化技术进行,利用管式加热炉程序升温并向反应器中持续通入氧气、一氧化氮、水蒸气、氮气,出口的气体由傅里叶红外光谱气体测试仪测试。
将5mg碳烟颗粒与50mg催化剂混合,形成松散接触,将混合后的样品用100mg惰性二氧化硅稀释后放入内径为10mm的石英管中;将石英管置于程序升温氧化的反应器内,通过反应器内的管式电加热炉进行程序升温和控制反应温度。程序升温实验的温度范围为50℃~650℃,升温速率为2.5℃/min,到达目标温度后维持此温度30min。碳烟颗粒的催化试验在2种不同的气氛中进行,分别为(1)10%氧气、10%水蒸气、氮气平衡气,总气流量为100mL/min,(2)1000ppm一氧化氮、10%水蒸气、10%氧气和氮气平衡气,总气流量为100mL/min。
使用在线质谱监测碳烟颗粒的燃烧过程,m/z=44信号用于监测二氧化碳的量,m/z=28信号用于监测一氧化碳的量。催化氧化碳烟颗粒生成二氧化碳的选择性通过以下公式判断:
Figure BDA0003816346270000111
式中
Figure BDA0003816346270000112
和CCO分别为出口的二氧化碳浓度和一氧化碳浓度;
Figure BDA0003816346270000113
表示二氧化碳的选择性。
催化剂催化颗粒物燃烧的活性评价指标为:二氧化碳的选择性;碳烟颗粒转化率分别为10%、50%、90%时的反应温度,分别表示为T10、T50、T90
本发明各实施例制备的催化剂对碳烟颗粒催化燃烧的结果如下表1。
表1在10%氧气、10%水蒸气和氮气平衡气氛围下催化剂的性能结果
Figure BDA0003816346270000121
由实施例1~3结果可以看出,银掺二氧化铈催化剂的碳烟颗粒催化燃烧性能优于银掺四氧化三钴催化剂,两种催化剂对于碳烟颗粒氧化燃烧成二氧化碳的选择性并不理想;而实施例3制备的银掺钴铈双金属氧化物催化剂的二氧化碳的选择性显著提高,碳烟氧化燃烧的温度也显著降低。这可能是因为钴成功掺入到二氧化铈的晶胞结构并形成固溶体,降低了二氧化铈的晶粒尺寸;钴的引入也增加了二氧化铈晶体的氧空位和缺陷,增加了反应活性位点。
由实施例3~6的测试结果可以看出在制备过程中加入葡萄糖和四甲基二乙烯基二硅氮烷能提高催化剂的性能,降低碳烟颗粒燃烧需要的温度。这可能是因为葡萄糖在高温下聚合成寡聚体对金属氧化物前驱体的结构有调节效果,能将金属氧化物前驱体晶核聚合成片状并不断生长,水热反应结束后形成了片状金属氧化物前驱体;四甲基二乙烯基二硅氮烷的加入使得金属氧化物前驱体晶核随着醇和金属离子配位的层状结构快速生长,随着反应进行,片状结构进一步生长并自组装聚合形成三维多孔结构化的金属氧化物前驱体,最终的煅烧处理制备了银掺三维多孔结构的结构化金属氧化物催化剂。这样的三维多孔的结构有助于碳烟颗粒在催化剂表面的吸附,并进一步促进催化反应的进行。
为了进一步贴近实际使用环境,在1000ppm一氧化氮、10%水蒸气、10%氧气和氮气平衡气,总气流量为100mL/min的条件下,对本发明实施例制备的催化剂进行催化试验,结果如表2所示。可以看出一氧化氮的存在能增强催化剂的性能,这是因为部分一氧化氮被催化剂氧化为二氧化氮,二氧化氮的催化能力比氧气强,增强了碳烟颗粒的氧化。这些结果也表明本发明实施例6对于模拟柴油车尾气中碳烟颗粒的氧化燃烧有很好的催化性能,能在400℃左右将碳烟颗粒有效转化为二氧化碳。
表2在1000ppm一氧化氮、10%水蒸气、10%氧气、氮气平衡气氛围下催化剂的性能结果
Figure BDA0003816346270000131

Claims (10)

1.一种低温去除柴油车碳烟颗粒的催化剂的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:将可溶性金属盐、乙醇水溶液在搅拌速率300~500r/min下搅拌,形成溶液Ⅰ;用碱性水溶液将溶液Ⅰ的pH调节至9.0~11.0,调节pH后继续搅拌0.5~2h得到溶液Ⅱ;将溶液Ⅱ在160~180℃下水热反应6~15h,自然冷却至25~30℃,将不溶物过滤,用乙醇和水各洗三次,在80~120℃下干燥6~12h,得到固体粉末。
步骤2:将步骤1获得的固体粉末分散在水中,在超声功率为50~200W,频率20~130kHz,温度20~40℃,超声20~60min,形成悬浊液a;将硝酸银加入到以搅拌速率300~500r/min搅拌的悬浊液a中,反应0.5~2h得到悬浊液b,停止搅拌,将悬浊液b转移至90~120℃保持12~18h蒸干悬浊液b的水分,收集固体物质,将固体物质在400~600℃下煅烧2~5h;煅烧后的固体物质粉碎过300~500目筛网,收集筛网下的粉末,即为所述消除柴油车碳烟颗粒的催化剂;
所述的可溶性金属盐为可溶性钴盐或可溶性铈盐中的一种。
2.一种低温去除柴油车碳烟颗粒的催化剂的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:将可溶性钴盐、可溶性铈盐、糖、乙醇水溶液在搅拌速率300~500r/min下搅拌,形成溶液Ⅰ;用碱性水溶液将溶液Ⅰ的pH调节至9.0~11.0,随后加入含氮物质,继续搅拌0.5~2h得到溶液Ⅱ;将溶液Ⅱ在160~180℃下水热反应6~15h,自然冷却至25~30℃,将不溶物过滤,用乙醇和水各洗三次,在80~120℃下干燥6~12h,得到固体粉末;
步骤2:将步骤1获得的固体粉末分散在水中,在超声功率为50~200W,频率20~130kHz,温度20~40℃,超声20~60min,形成悬浊液a;将硝酸银加入到以搅拌速率300~500r/min搅拌的悬浊液a中,反应0.5~2h得到悬浊液b,停止搅拌,将悬浊液b在90~120℃环境保持12~18h,蒸干悬浊液b的水分,收集固体物质,将固体物质在400~600℃下煅烧2~5h;煅烧后的固体物质粉碎过300~500目筛网,收集筛网下的粉末,即为所述低温去除柴油车碳烟颗粒的催化剂。
3.如权利要求1或2所述的低温去除柴油车碳烟颗粒的催化剂的制备方法,其特征在于,所述的可溶性钴盐为六水合硝酸钴(Ⅱ)、四水合乙酸钴(Ⅱ)、六水合氯化钴(Ⅱ)中的一种;所述可溶性铈盐为六水合硝酸铈(Ⅲ)、七水合氯化铈(Ⅲ)中的一种。
4.如权利要求1或2所述的低温去除柴油车碳烟颗粒的催化剂的制备方法,其特征在于,所述的乙醇水溶液的质量分数为60~80%。
5.如权利要求1或2所述的低温去除柴油车碳烟颗粒的催化剂的制备方法,其特征在于,所述的碱性水溶液为氨水水溶液、氢氧化钠水溶液、碳酸氢钠水溶液、碳酸钠水溶液中的一种。
6.如权利要求2所述的低温去除柴油车碳烟颗粒的催化剂的制备方法,其特征在于,步骤1中的可溶性铈盐、可溶性钴盐、糖、乙醇水溶液的质量比为(0.2~2):(0.2~2):(0.1~0.5):(30~50)。
7.如权利要求2所述的低温去除柴油车碳烟颗粒的催化剂的制备方法,其特征在于,所述的糖为葡萄糖、蔗糖、乳糖中的一种、两种或多种的组合。
8.如权利要求2所述的低温去除柴油车碳烟颗粒的催化剂的制备方法,其特征在于,所述的含氮物质与可溶性金属盐的质量比为(2~5):1;所述的含氮物质为六亚甲基四胺、尿素、甘氨酸、乙二胺、六甲基二硅氮烷、四甲基二乙烯基二硅氮烷中的一种、两种或多种的组合。
9.如权利要求2所述的低温去除柴油车碳烟颗粒的催化剂的制备方法,其特征在于,所述步骤2中的固体粉末与水的质量比为(0.02~0.05):1;加入硝酸银与固体粉末的质量比为(1:10)~(1:30)。
10.一种低温去除柴油车碳烟颗粒的催化剂,其特征在于,采用如权利要求1~9任一项所述的制备方法制备得到。
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