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

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

646 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 сажевое горение 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, частицам Mn с высокой валентностью, 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.