稀土在汽車尾氣凈化催化劑中的應(yīng)用現(xiàn)狀[1]

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1、稀土在汽車尾氣凈化催化劑中的應(yīng)用現(xiàn)狀[1]2006年25卷第3期稀有金屬快報(bào)13稀土在汽車尾氣凈化催化劑中的應(yīng)用現(xiàn)狀蔡明昌,王慧,稅安澤,曾令可(華南理工大學(xué),廣東廣州510640)摘要:詳細(xì)敘述了用稀土部分替代汽車尾氣凈化催化劑中鉑、銠等貴金屬的研究和應(yīng)用情況。主要包括:①稀土在汽車尾氣凈化催化劑中應(yīng)用優(yōu)勢(shì);②稀土催化劑凈化汽車尾氣中幾種主要有害氣體的作用機(jī)理;③我國(guó)從事尾氣凈化稀土催化劑研究、開發(fā)的主要單位和他們各自的研究重點(diǎn)及取得的成果;④稀土三元催化劑的組成、特點(diǎn)及富氧條件下分解NOx的作用機(jī)理;⑤

2、納米稀土催化劑的開發(fā)與展望,指出:當(dāng)納米稀土催化劑研制成功,可望實(shí)現(xiàn)不使用貴金屬達(dá)到與貴金屬催化劑同樣的凈化效果;⑥稀土催化劑的應(yīng)用前景。預(yù)料,在我國(guó)隨著汽車保有量的迅速增加,尾氣凈化催化劑將成為稀土消費(fèi)的主要領(lǐng)域之一。關(guān)鍵詞:汽車尾氣凈化;稀土;稀土催化劑;催化機(jī)理中圖法分類號(hào):TG146.4+5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1008-5939(2006)013-05目前,世界汽車保有量已達(dá)6.5億輛。其中我國(guó)汽車保有量已超過2000萬(wàn)輛,并且產(chǎn)銷量每年以20%～30%的速度遞增。預(yù)計(jì)到2010年,我國(guó)汽車的保

3、有量將超過4500萬(wàn)輛。因此,實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)高效、低污染的燃燒,控制汽車尾氣中有害氣體排放量,已成為能源與環(huán)境研究中的一個(gè)重大課題。汽車動(dòng)力以燃油為主,如果油料燃燒不完全,尾氣會(huì)含有大量的對(duì)人體有害氣體,如一氧化碳(CO)碳?xì)浠衔?HC)和氮氧化物(NOx)等。采用機(jī)前燃油電噴及機(jī)后安裝催化轉(zhuǎn)化裝置是治理汽車尾氣污染的手段之一。國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的汽車尾氣凈化催化劑主要由鉑和銠等貴金屬組成。同廉價(jià)的稀土取代部分貴金屬是汽車尾氣催化劑新的發(fā)展方向,有著廣闊的發(fā)展前景。收稿日期:2005-11-281稀土在汽車尾氣凈

4、化催化中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)汽車尾氣凈化催化劑中貴金屬鉑、銠的消耗占世界總供應(yīng)量相當(dāng)大的比例。以銠為例,汽車催化劑用銠占到世界總供應(yīng)量的80%左右,使銠的供應(yīng)持續(xù)緊張。為了降低汽車尾氣轉(zhuǎn)化催化劑的成本,緩解貴金屬供應(yīng)的緊張局面,人們開展了在汽車尾氣轉(zhuǎn)化催化劑中添加稀土元素取代部分貴金屬的研究工作,并取得了一定的成效。由于稀土氧化物具有氧化和還原的雙重特性,能在還原氣氛中供氧,在氧化氣氛中耗氧。因此,應(yīng)用稀土代替部分貴金屬制成催化劑,不僅成本低,而且能獲得滿意的凈化效果。稀土在汽車尾氣凈化催作者簡(jiǎn)介:蔡明昌,男,198

5、3年士,學(xué)士,華南理工大學(xué)材料學(xué)院,廣東廣州510640,電話:020-87114617,E-mail:wanghui@scut.edu.cn綜合評(píng)述14化劑中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在:①提高催化劑載體的機(jī)械強(qiáng)度;②具有獨(dú)特的儲(chǔ)氧功能,可使CO轉(zhuǎn)化成CO2;③具有變價(jià)特性,可以提高催化劑活性;④改善催化劑抗鉛、硫中毒的能力;⑤提高催化劑的使用壽命;⑥增加催化劑的熱穩(wěn)定性;⑦具有三元催化劑的性能?？傊?尾氣凈化催化劑中加入稀土,以助催化劑的形式增加了催化活性,使催化劑的氧化還原反應(yīng)能夠順利進(jìn)行[2],節(jié)約了貴金屬

6、。CeO2還在貴金屬氣氛中起穩(wěn)定作用,以保持催化劑較高的催化活性。2稀土催化劑的催化機(jī)理由于稀土元素具有特殊的電子結(jié)構(gòu),使其具有特殊的物理和化學(xué)性能,特別是具有特殊的光、電、磁和催化性能。汽車尾氣凈化催化劑中添加的稀土元素主要有:Ce,Pr和La等,以其氧化物混合物的形式加入。其中Ce2O3是關(guān)鍵成分。2.1稀土催化劑凈化CO和HC的機(jī)理在稀土催化劑對(duì)CO和CO2催化氧化的研究中,根據(jù)測(cè)定的電導(dǎo)率確定了氧化物中晶格氧離子參與反應(yīng),其反應(yīng)機(jī)理如下[3]:CO(氣)+(稀土催化劑)→CO(吸附態(tài))CO(吸附態(tài))

7、+O2-→CO2(氣)+□2CO2(吸附態(tài))→CO2(氣)+(稀土催化劑)O2(氣)+2□2-→2O2式中,O2-表示晶格氧離子;□2-表示表層陰離子空缺。對(duì)鈣鈦礦型(ABO3,A代表稀土金屬離子;B代表過渡金屬離子)或在其中摻雜其它元素而形成的缺陷結(jié)構(gòu)的稀土催化劑氧化CO的機(jī)理也進(jìn)行了廣泛研究。得到的基本結(jié)論是B離子吸附氣態(tài)氧(吸附態(tài)是O-或O2-),CO和CO2在晶格氧上(CO為吸附態(tài)CO+),反應(yīng)通過CO吸附態(tài)和氣態(tài)吸附氧進(jìn)行[5,6]。據(jù)資料介紹,在多數(shù)情況下稀土金屬離子的電子構(gòu)型可影響催化劑的活性

8、,當(dāng)電子構(gòu)型為4f1和4f8時(shí)催化活性最佳,當(dāng)電子構(gòu)型為4f0,4f7,4f14時(shí)催化活性最差。稀土催化劑凈化HC的機(jī)理與凈化CO的機(jī)理Vol.25,No.3,2006類似,在此不再贅述。2.2稀土催化劑凈化NOx的機(jī)理?yè)碛锌勺兎腔瘜W(xué)計(jì)量氧缺陷結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦型氧化物具備貯/放氧的能力,而這正是NO的分解及其選擇催化還原反應(yīng)所必需的。在La0.8Sr0.2CoO3和La0.4Sr0.6Mn0.8Ni0.2O3上,NO