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原文传递三维大孔泡沫镍基底上过渡金属氧化物基整体式碳烟燃烧催化剂的研究

论文题名：	三维大孔泡沫镍基底上过渡金属氧化物基整体式碳烟燃烧催化剂的研究
关键词：	汽车柴油发动机;碳烟燃烧;过渡金属氧化物基整体式催化剂;催化性能;构效关系;反应机理
摘要：	柴油发动机因其动力大、燃油效率高和故障率低等优点，在重型机动车市场中占主导地位。但其排放的碳烟颗粒物也成为主要的环境污染物，威胁着人类的健康。柴油车颗粒捕集器（DPF）能捕集90%以上的碳烟，该技术面临的最大挑战是需要将捕集到的碳烟在柴油车尾气温度下催化消除，以实现DPF原位再生。传统粉体涂覆型催化剂活性组分分布不均匀和材料利用效率低，从而导致了较差的催化性能。为了实现催化剂的高效利用率，本论文主要致力于制备一系列原位生长在DPF上的过渡金属氧化物基整体式催化剂，并结合性能评价与表征结果，对催化剂的构效关系以及反应机理进行深入的研究。　　采用水热和浸渍法成功制备了大孔结构的CeO2/Mn2O3整体式催化剂（Ce/Mn-NF）。催化剂的大孔微纳结构增加了碳烟与催化剂外表面的接触面积。并且催化剂上的表面Mn-Ce相互作用诱发了Ce4++Mn3+?Mn4++Ce3+平衡的进行，促进了Mn4+和氧空位的形成，该过程也伴随着大量表面活性氧物种的产生。催化剂Ce/Mn-NF-2的表面Ce/Mn原子比约为1:1，从而为更多Mn-Ce相互作用位点的形成创造了条件。因此，催化剂Ce/Mn-NF-2表现出卓越的催化活性，其中在NO/O2/N2气氛下的T10和T50低至324℃和385℃。该研究突破了传统粉体MnOx-CeO2催化剂在碳烟消除反应中的应用瓶颈。　　针对催化碳烟燃烧的气-固-固反应特点，在DPF基底上原位构建了具有介孔-大孔的多级孔结构的Co3O4/CeO2整体式催化剂（Co/Ce-NS）。催化剂的多级孔微纳结构不仅增加了碳烟与催化剂的接触机会，而且促进了气相反应物和产物在催化剂中的快速转移和扩散。钴的引入可以提高催化剂的氧化还原能力，且Co-Ce相互作用可以促使表面Co2+-←→-Ce3+物种的形成，从而诱发大量表面活性氧的产生。Co-Ce相互作用诱导产生的表面吸附氧比单独的CeO2或Co3O4上的表面吸附氧更为活泼，因此具有较多Co-Ce相互作用位的催化剂0.6Co/Ce-NS展现出较高的本征活性和催化碳烟燃烧活性。　　为了进一步提高催化剂的氧化能力，采用水热、浸渍以及不同焙烧气氛处理方法成功制备了Ag/CeO2整体式催化剂（Ag/Ce-A和Ag/Ce-H-O）。相较催化剂Ag/Ce-H-O的纳米颗粒结构，Ag/Ce-A的纳米线微纳结构更有利于促进碳烟与催化剂的接触，但Ag/Ce-H-O却表现出卓越的催化碳烟氧化活性。催化剂Ag/Ce-A上Ag0能够吸附活化O2形成表面吸附氧，而Ag/Ce-H-O表面除了具有Ag0外，也具有由Ag-Ce相互作用产生的部分Ag+物种。研究发现，氢气气氛处理促使催化剂Ag/Ce-H-O表面Ce4++Ag0←→Ag++Ce3+相互作用的进行，且其诱发产生的表面吸附氧活性显著高于由Ag0吸附活化形成的表面吸附氧。　　设计合成的原位生长在DPF基底上的K/Ce-NW整体式催化剂，表现出了较好的催化碳烟氧化活性和稳定性。CeO2纳米线结构促进了负载钾物种的高分散，也提高了碳烟与催化剂上活性位的接触效率。钾物种的引入，不仅为催化碳烟氧化反应提供了新的活性组分，而且钾物种与CeO2的相互作用能够有效地稳定催化剂表面的钾物种，同时也促进了催化剂上表面活性氧物种的形成。
作者：	邢令利
专业：	化学工程与技术
导师：	李新刚
授予学位：	博士
授予学位单位：	天津大学
学位年度：	2019
正文语种：	中文