介孔材料在汽車尾氣凈化中的應(yīng)用

摘要：將制備好得金屬-SBA-15附著在堇青石上，并將其應(yīng)用于汽車發(fā)動機(jī)尾氣的治理。結(jié)果表明，Cr/SBA-15、Cu-Al/SBA-15、Cr-Al/SBA-15（2∶1∶1）混合型催化劑性能接近市售的貴金屬類催化劑，尾氣中的三種主要污染物NOx、CO和HC可以同時得到凈化，凈化率均在90%以上，且其應(yīng)用成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于貴金屬類催化劑，因而該催化劑在汽車尾氣凈化方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：SBA-15 尾氣凈化

中圖分類號：TB383 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）05（c）-0000-00

汽車尾氣催化轉(zhuǎn)化器的核心部分是催化劑，其工作原理是利用排放廢氣中殘余的氧氣和排放較高的溫度，在催化劑表面進(jìn)行氧化-還原反應(yīng)，使有害物質(zhì)CO、碳?xì)浠衔铮℉C）、氮氧化物（NOx）轉(zhuǎn)變成無毒害的CO2、H2O和N2，從而減少對環(huán)境的污染[1]。目前常用的汽車尾氣凈化催化劑的活性組分是貴金屬，例如Rh-Pt、Rh-Pd、Rh-Pt-Pd、Pt-Pd這些組合，其具有起燃活性好、耐老化性能好、抗中毒能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但由于其資源緊缺、價(jià)格昂貴，造成整個催化劑成本較高，限制了該類催化劑的應(yīng)用。

為減少成本，人們開始研究用非貴金屬催化劑替代貴金屬催化劑，如：Co-BEA[2]、Fe-Mo/ZSM-5[3]、Pt/Al2O3[4]等，這些報(bào)道的催化劑活性不高，穩(wěn)定性較差，易因SO2、水蒸氣中毒而失活，且污染物轉(zhuǎn)化率較低；因而，影響著催化劑的實(shí)用性。本文針對以上情況，在介孔分子篩SBA-15孔道中引入活性金屬，一方面使其得到了很好的分散，呈現(xiàn)出較高的催化活性；另一方面活性組分得到了固定，避免了其流失、揮發(fā)、高溫?zé)Y(jié)的發(fā)生。該催化劑成本低，且具有較高的催化活性，可大幅有效地降低汽車尾氣排放所產(chǎn)生的氮氧化物、一氧化碳、碳?xì)浠锾嫉认盗形廴疚铮蛊嚨呐欧胚_(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)（GB 18285-2005），從而達(dá)到保護(hù)環(huán)境的目的。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 催化劑制備

1.1.1介孔特征催化劑的制備：采用原位合成和等量浸漬法分別將金屬Al、Cr和Cu負(fù)載到的介孔分子篩SBA-15的孔壁內(nèi)、內(nèi)孔道表面，得到介孔特征催化劑Cu-Al/SBA-15、Cr-Al/SBA-15、和Cr/SBA-15；其中，Cu-Al/SBA-15中Cu和Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、5%；Cr-Al/SBA-15中Cr和Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、5%；Cr/SBA-15中 Cr的質(zhì)量含量為5%；

1.1.2第一層涂層：將氧化鋁和助劑漿體涂覆在菁青石蜂窩狀載體中，晾干；氧化鋁和助劑的質(zhì)量比為5：1；助劑為氧化鑭和氧化鈰，其質(zhì)量比為1∶1；

1.1.3第二涂層：將制備好得的Cu-Al/SBA-15、Cr/SBA-15、Ag/SBA-15按質(zhì)量比為2∶2∶1的比例混合加進(jìn)球磨機(jī)中將其有效研磨與混合，混合后為介孔材料，然后將該介孔材料與氧化鋁、助劑漿體攪拌均勻，涂覆于第一層涂層上，助劑為氧化鑭和氧化鈰，氧化鋁、氧化鑭和氧化鈰的質(zhì)量比為10∶1∶1；晾干后置于高溫爐中，在500℃中焙燒10小時，制成整體式催化劑，即為汽車尾氣凈化催化劑。

1.2 催化劑表征

介孔特征的催化劑Cu-Al/SBA-15、Cr-Al/SBA-15、和Cr/SBA-15的結(jié)構(gòu)用Bruker公司的D8 FOCUS型X-射線衍射儀進(jìn)行表征，Cu Kα射線源（λ=0.15406 nm）），管壓為40 kV，管電流為30 mA，掃描范圍2θ=0.5°～10°。

1.3 催化劑性能表征

金屬-SBA-15/堇青石整體式催化劑搭載到桑塔納2000轎車的尾氣排放系統(tǒng)中，利用穩(wěn)態(tài)工況法【出自《點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)汽車排氣污染物排放限值及測量方法》（執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)號：GB 18285-2005）】，在南華NHA-503五氣汽車尾氣分析儀）測試其催化性能。其中凈化率=（無催化劑狀態(tài)下污染物的濃度-催化劑作用下污染物的濃度）/無催化劑狀態(tài)下污染物的濃度 ×100%

2 結(jié)果與討論

純硅SBA-15和M/SBA-15 （M=Cr， Cr-Al，Cu-Al） XRD圖譜如圖1所示。SBA-15的XRD譜顯示了（100）強(qiáng)衍射峰以及（110）和（200）兩個較弱的衍射峰，這是典型六方p6mm介孔結(jié)構(gòu)。負(fù)載金屬Cu、Fe、Cr后，其（100）、（110）、（200）衍射峰也都清晰可見，表明其六方p6mm介孔結(jié)構(gòu)得到了完好的保持。

圖1 SBA-15、M/SBA-15（M=Cr，Cr-Al，Cu-Al） 的小角度XRD圖

催化劑種類

檢測項(xiàng)目及檢測值

ASM5025

ASM2540

HC（10-6）

CO（%）

NO（10-6）

HC（10-6）

CO（%）

NO（10-6）

限值

170

1.00

1300

170

1.10

1200

無催化劑

測試值

275

0.72

2330

265

0.70

2219

原廠配套催化劑（國Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)）

測試值

37

0.08

195

20

0.02

120

凈化率（%）

86.55

88.89

95.74

92.45

97.14

94.59

自制JK-Q-Ⅲ

檢測值

21

0.01

170

23

0.01

115

凈化率（%）

92.36

98.61

92.70

91.32

98.57

94.82

表1給出了無催化劑狀態(tài)、原廠催化劑（貴金屬類）和金屬-SBA-15/堇青石整體式催化劑對汽車尾氣凈化的數(shù)據(jù)，可以看出，無催化劑加載時，兩種工況ASM5025和ASM2540條件下，HC、NO的測試值均均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過限值，尾氣排放未達(dá)標(biāo)?；旌闲徒饘?SBA-15催化劑作用下能實(shí)現(xiàn)對汽油發(fā)動機(jī)尾氣中三種污染物的同時凈化，其凈化率除ASM2540工況下的HC外，其他均在數(shù)據(jù)上超過原廠催化劑，尤其是CO的脫除，兩種工況下分別達(dá)到98.61%、98.57%，接近于完全脫除。這些數(shù)據(jù)說明在汽油發(fā)動機(jī)尾氣的凈化方面，金屬-SBA-15/堇青石整體式催化劑的催化性能不低于市售的貴金屬類催化劑。

表1.各催化劑作用下主要污染物實(shí)車檢測情況

3 結(jié)論

近年來，我國汽車的保有量不斷攀升，致使汽車尾氣凈化催化劑的需求量越來越大，但現(xiàn)售的常用汽車尾氣凈化催化劑（貴金屬類）由于其儲量有限，其銷售價(jià)格只能是越來越貴，我課題組針對以上情況，研究用介孔材料替代貴金屬類催化，經(jīng)試驗(yàn)其催化脫除效果均已達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)要求，性能接近貴金屬，其價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于貴金屬類，且我組研發(fā)的金屬-SBA-15/堇青石整體式催化劑由于其所用材料儲量豐富，價(jià)格較低，其分子結(jié)構(gòu)規(guī)整，故其在性能和價(jià)格上有較大的提升空間，開發(fā)價(jià)值較大。

參考文獻(xiàn)

[1] 王征，張洪輝.混合動力汽車動力系統(tǒng)控制策略實(shí)驗(yàn)分析[J].山西交通科技.2011，No.213（06）91-93+96.

[2]意大利專利：MI 93A 2337

[3]中國專利：公開號 CN1401412A

[4] R. Burch， P. Fornasiero， T.C. Watling， Kinetics and Mechanism of the Reduction of NO by n-Octane over Pt/Al2O3under Lean-Burn Conditions[J]. Journal of Catalysis. 1998，15（1）：204-214.

[5] 吳淑杰，黃家輝，吳通好等，Al-SBA-15介孔分子篩的合成、表征及其在苯酚叔丁基化反應(yīng)中的催化性能[J]. 催化學(xué)報(bào)， 2006， 27（1）： 9-14.