Влияние кислородной вакансии и высокодисперсного MnOx на горение сажи в церий-марганцевом катализаторе

Новости

ДомДом / Новости / Влияние кислородной вакансии и высокодисперсного MnOx на горение сажи в церий-марганцевом катализаторе

Aug 06, 2023

Влияние кислородной вакансии и высокодисперсного MnOx на горение сажи в церий-марганцевом катализаторе

Научные отчеты, том 13,

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 3386 (2023) Цитировать эту статью

516 Доступов

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Биметаллические церий-марганцевые катализаторы оказались в центре внимания современных исследований из-за их превосходных каталитических характеристик при сжигании сажи. Две серии церий-марганцевых катализаторов (катализаторы, не содержащие Na, и катализаторы, содержащие Na) были приготовлены методом соосаждения и охарактеризованы методами РФА, адсорбции-десорбции N2, СЭМ, комбинационного рассеяния света, РФЭС, H2-TPR, O2-TPD, Soot-TPR- МС и ИК на месте. Проанализировано влияние большого количества кислородных вакансий и поверхностного высокодисперсного MnOx на сажевое каталитическое горение церий-марганцевых катализаторов, приготовленных с использованием различных осадителей. Результаты испытаний активности показывают, что активные формы кислорода, высвобождаемые большим количеством кислородных вакансий в церий-марганцевом катализаторе, более благоприятны для каталитического сгорания сажи, чем MnOx, который высоко диспергирован на поверхности катализатора и имеет хорошие окислительно-восстановительные характеристики при низких температурах. температура. Поскольку каталитический эффект MnOx на поверхность катализаторов, не содержащих Na, в большей степени зависит от условий контакта между катализатором и сажей, это явление легче наблюдать в условиях свободного контакта, чем в условиях плотного контакта. Результаты испытаний цикла активности показывают, что эти две серии катализаторов демонстрируют хорошую стабильность, и повторное использование вряд ли приведет к какой-либо дезактивации катализаторов.

Частицы сажи, выбрасываемые дизельными двигателями, могут не только вызывать загрязнение воздуха и дымку, но и легко проникать в дыхательную систему человека из-за своего небольшого размера, более того, поглощенные ими тяжелые металлы и органические вещества могут вызывать серьезные заболевания1,2,3. Дизельный сажевый фильтр (DPF) с эффективностью фильтрации до 90 % является эффективным средством контроля выбросов сажи4. Начальная температура сгорания сажи выше 450 °С, а температура выгорания — выше 650 °С, поэтому в диапазоне температур выхлопа дизельных двигателей (200–400 °С) самовозгоранию сажи не способствует. Следовательно, катализатор необходим для снижения температуры сгорания сажи, содействия пассивной регенерации DPF и снижения давления в фильтре5.

В настоящее время промышленные катализаторы сгорания сажи содержат около 0,75 мас.% платины, что составляет треть общей стоимости фильтра6. Поэтому большое количество катализаторов из неблагородных металлов (таких как переходные металлы, щелочные металлы, щелочноземельные металлы, перовскит, композитные оксидные катализаторы церия и т. д.) было тщательно изучено с целью замены платины в DPF7,8,9. 10,11,12,13. Среди различных типов катализаторов окисления сажи композитные оксидные катализаторы церий-марганец считаются потенциальными заменителями катализатора Pt/Al2O3, который получил промышленное распространение благодаря своей хорошей окислительной активности6.

Редкоземельный элемент церий обладает превосходной способностью хранить/выделять кислород благодаря своей уникальной структуре 4f-электронного слоя. Согласно «механизму активных форм кислорода», активные формы кислорода, выделяемые CeO2, очень способствуют окислению сажи из-за хорошей эффективности обратимого преобразования Ce4+/Ce3+14,15. Поскольку 3d-орбиталь не заполнена, переходный металл марганец обладает многими валентными состояниями, и трансформация различных валентных состояний приводит к образованию кислородных вакансий в процессе каталитического сгорания сажи, проявляя тем самым высокую каталитическую активность16. Катализаторы на основе композитных оксидов церия и марганца широко изучались, поскольку они могут сочетать в себе преимущества двух вышеупомянутых катализаторов и дополнительно улучшать каталитическую активность окисления сажи6.

Из текущих исследований каталитического сгорания сажи биметаллических церий-марганцевых катализаторов в атмосфере O2 основное внимание уделяется улучшению внутренних свойств катализаторов (увеличению количества активных форм кислорода) и изменению морфологии катализаторов с целью содействия контактная способность между катализаторами и сажей. Мукерджи и др.17 изучили влияние различных легированных элементов (редкоземельных металлов и переходных металлов Zr, Hf, Fe, Mn, Pr и La) на горение сажи катализатора CeO2 и обнаружили, что катализатор, легированный Mn, демонстрирует самую высокую концентрацию поверхностных адсорбированные формы кислорода и наиболее слабосвязанный решеточный кислород среди всех материалов, что демонстрирует лучшую активность окисления сажи. Лян и др.18 обнаружили, что в условиях рыхлого контакта активность каталитического горения сажи MnOx-CeO2 была выше, чем у CuOx-CeO2, поскольку добавление Mnx+ в решетку CeO2 могло способствовать образованию большего количества кислородных вакансий, тем самым способствуя адсорбции кислорода. на поверхности. Он и др.19 сравнили катализатор Ce0,5Zr0,5O2, модифицированный различными переходными металлами Mn, Fe и Co, и обнаружили, что каталитическая активность сажи катализатора Ce0,5Zr0,5O2, легированного Mn или Co, превосходит таковую, легированную Fe, из-за к увеличению активных форм кислорода и подвижности кислорода в решетке катализатора. Ван и др.20 синтезировали твердые растворы MnxCe1-xO2 в мезопористых нанолистах гидротермальным методом. Катализатор имел превосходные характеристики сгорания сажи, главным образом, благодаря своей уникальной мезопористой форме нанолиста, высоковалентным формам Mn, большому количеству активных форм кислорода и высоким окислительно-восстановительным характеристикам. Чжао и др.21 приготовили серию композитов MnOx–CeO2 и обнаружили, что каталитическая активность сажи была лучшей, когда Mn/(Mn + Ce) составляла 20 ат%. Это произошло потому, что пористая структура катализатора была аналогична размеру частиц сажи, что способствовало контакту между катализатором и сажей.

 CM-N > CM-NC. The Tm of CM-NaC and CM-3 for soot combustion are 363.9 °C and 367.3 °C, respectively, which are 298.1 °C and 294.7 °C lower than that without catalyst. The activity of CM-NaC is better than that of CM-3, which is more obvious under the loose contact condition (Fig. S1)./p> CM-N > CM-NC. For Na-containing catalysts, there is another peak located at 535.1–535.6 eV, which belongs to the sodium auger peak (Na KLL) according to Handbook of X-ray Photoelectron Spectroscopy. The contents of OII of the Na-containing catalysts are higher than those of the Na-free catalysts, but the ratios of Ce3+ and the low-valent Mnx+ of the Na-containing catalysts are not high. Therefore, it can be inferred that the high surface oxygen adsorption and large amount of oxygen vacancies of the Na-containing catalysts are mainly caused by the entrance of Na+ into the lattice of the solid solution. The increase of surface active oxygen is beneficial to the transfer of reactive oxygen species from the surface of catalyst to the soot, thus promoting the oxidation of soot./p>