Gépkocsi kipufogógáz-tisztító katalizátor
1. A katalizátor hatásmechanizmusa
Az autók kipufogógázaiban található szennyező anyagok főként a szén-monoxidot (CO), a szénhidrogéneket (HC), a nitrogén-oxidokat (NO), a kén-dioxidot (SO2) és a részecskéket (ólomvegyületek, szénkorom stb.) tartalmazzák. Jelenleg két fő módszer létezik az autók kipufogógázának tisztítására: a belső tisztítás és a külső tisztítás. A belső tisztítás magában foglalja a motor szerkezetének megváltoztatását, hogy elősegítse az üzemanyag teljes elégetését, vagy lehetővé tegye bizonyos kipufogógázok újra{4}égését a káros anyagok mennyiségének csökkentése érdekében. A külső tisztítás főként katalitikus tisztítási módszereket alkalmaz, amelyek magukban foglalják a CO és a HC oxidációs reakcióit, valamint az NO redukciós reakcióit, katalitikus hatást alkalmazva a kipufogógázban lévő káros anyagok ártalmatlan CO-, H2O- és N2-vé alakítására. A jelenleg használt katalitikus tisztítási módszerek közé tartozik a katalitikus oxidáció, a katalitikus redukciós -oxidáció és a három-utas katalitikus tisztítás. A háromutas katalizátorokat számos országban széles körben használják. A háromutas katalizátor főként három részből áll: a katalizátor szubsztrátjából, az aktív bevonatból és a katalitikus aktív komponensekből. Ezenkívül a katalizátor teljesítményének javítása érdekében gyakran kis mennyiségű adalékot adnak az aktív bevonathoz és a katalitikus aktív komponensekhez, főleg ritkaföldfém-oxidokat és alkáliföldfém-oxidokat stb.
2. A vivő funkciója és követelményei
Az autók kipufogógáz-tisztítására szolgáló háromutas katalizátor használati körülményei meglehetősen kemények, ideértve az -50 foktól 950 fokig terjedő hőmérséklet-ingadozásokat, a nagy sebességű légáramlás okozta erős ütéseket és rezgéseket, valamint az akár 2 éves vagy 160 000 kilométeres élettartamot. Ezenkívül a CO és HC oxidációjához és NOx redukciójához szükséges nagy aktivitás- és hőmérsékletállóság, valamint az S és P mérgezéssel szembeni ellenállás magasabb követelményeket támaszt a katalizátorral szemben. A katalizátor összetétele, a különböző komponensek kompatibilitása és az alkalmazott aktív alumínium-oxid tulajdonságai jelentős hatással vannak a katalizátor teljesítményére, különösen közvetlenül a katalizátor aktivitására és élettartamára.
(1) Katalizátor összetétele
A háromutas katalizátorok főként a katalizátor szubsztrátjából, az aktív bevonatból és az aktív komponensekből állnak. Speciális előkészítési eljárások és a bevonatban különböző arányú aktív komponensek különböző eloszlása révén teljesíthetők a jó katalitikus teljesítmény követelményei az autó kipufogórendszerének különböző helyein, a hidegindítástól a magas hőmérsékletig.
Katalizátor szubsztrát: A hordozó, más néven hordozó, főként kordierit méhsejt-kerámiából, szilícium-karbidból, fém méhsejtből, hullámlemezből stb. áll. Az aljzatnak meg kell felelnie a következő követelményeknek: nagy mechanikai szilárdság, hogy ellenálljon a hősokkoknak és a nagy sebességű légáramlás erős vibrációjának; nagy külső felület és porozitás az aktív bevonat adhéziójának és diszperziójának megkönnyítése érdekében; alacsony hőtágulási együttható és magas hőmérsékleti ellenállás a repedések és a bevonat leválásához vezető deformáció megakadályozása érdekében az üzemi hőmérséklet drasztikus változásai miatt; nagy légáteresztő képesség és nagy nyomáseséssel szembeni ellenállás a nagy kipufogógáz-ellenállás miatti túlzott motorteljesítmény-veszteség elkerülése érdekében; alacsony hőkapacitás és nagy hővezető képesség a hőmérséklet gyors növeléséhez hidegindításkor a katalitikus hatás érdekében; és immunitás olyan anyagokkal szemben, amelyek megmérgezhetik a katalizátort anélkül, hogy kölcsönhatásba lépnének vele.
Aktív bevonat: A bevonatnak erősen tapadnia kell az aljzathoz, és az aljzatéhoz hasonló hőtágulási együtthatóval kell rendelkeznie, hogy megakadályozza a bevonat leválását a hőmérséklet-ingadozások, valamint az aljzat hőtágulása és összehúzódása miatt; jó magas hőmérsékleti -stabilitás, amely megakadályozza a fázisátalakulást vagy a szinterezést magas hőmérsékleten; és bizonyos tolerancia a nyomokban mérgező anyagokkal szemben, mint például a Pb, S és P, hogy elkerüljük az aktív komponensek mérgezését. Az aktív alumínium-oxidon kívül a bevonóanyag főként ritkaföldfém-kompozit oxidokat, például Ce és Zr, alkáliföldfémeket vagy alkálifémeket, valamint fém-oxidokat, például Ba, Sr és TiO2 tartalmaz, amelyeket a bevonóanyag termikus stabilitásának javítása és a katalizátor magas hőmérsékletekkel szembeni ellenállásának, oxigéntároló képességének, mérgezéssel szembeni ellenállásának, az aktív összetevők termikus stabilitásának és diszperziójának javítása érdekében adnak hozzá.
A katalizátor aktív komponensei: Az aktív komponenseknek jó magas hőmérséklet-állósággal, S, P mérgezéssel szembeni ellenállással, alacsony gyulladási hőmérséklettel, magas katalitikus aktivitással kell rendelkezniük, beleértve a CO és HC magas oxidációs teljesítményét, valamint az NOx nagy redukciós teljesítményét, valamint jó diszperziót. A nemesfém aktív komponensek közé elsősorban a platina, palládium, ródium és ezek kombinációi tartoznak. A palládium és a platina kiváló katalitikus aktivitással rendelkezik a HC és a CO oxidációjában, míg a ródium kiváló katalitikus aktivitással rendelkezik az NOx redukciójában, és alacsony hőmérsékleti aktivitása jobb, mint a palládiumé és a platinaé. Az autóipari károsanyag-kibocsátási szabványok szigorításával és az Euro V szabványok széles körű bevezetésével az NOx-kibocsátási követelmények egyre szigorúbbak, és a háromutas katalizátorok általában változó mennyiségű ródiumot tartalmaznak.
Az autók kipufogógáz-tisztítására szolgáló háromutas katalizátorok képesek fenntartani a jó teljesítményt zord üzemi körülmények között is, és a katalizátor szubsztrát, az aktív bevonat és az aktív komponensek optimalizálási kombinációja kulcsfontosságú a jó előkészítési módszerek mellett. A háromutas katalizátorok általában kordierit méhsejt-kerámiákon vagy fém méhsejteken alapulnak, aktív alumínium-oxid hordozókkal nemesfém-aktív komponensekkel és ritkaföldfém-kompozit oxidokkal vagy alkáli- vagy alkáliföldfém-oxidokkal adalékanyagként, bevonóanyagként szuszpenzióvá őrölve, speciális szárítási eljárással, aktivációval és hordozóanyaggal előállított szubsztrátumra bevonva.
(2) Az alumínium-oxid szerepe és hatása
Az aktív alumínium-oxid szerepe a háromutas katalizátorokban abban rejlik, hogy hordozóként szolgál a nemesfém aktív komponensek számára, hogy biztosítsa azok nagy diszperzióját, valamint a bevonóanyag komponenseként, hogy nagy fajlagos felületet biztosítson, fenntartsa a jó tapadást és illeszkedést a kerámia hordozóhoz, valamint megakadályozza a bevonat leválását és fázisátalakulásukat. Jelenleg a leggyakrabban használt aktív alumínium-oxid az AOS, amely nagy fajlagos felülettel, mérsékelt póruseloszlással és jó szintereléssel szembeni ellenállással rendelkezik. Az -Al2O3 azonban metastabil fázis, és magas hőmérsékleten hajlamos a fázisátalakulásra és szintereződésre, ami stabil -fázishoz és a részecskék eldurvulásához vezet, ami jelentősen csökkenti a fajlagos felületet, ezáltal befolyásolja az aktív fémek felületén való diszperzióját, és csökkenti a katalizátor teljesítményét vagy akár deaktiválódik is. Ezenkívül a magas hőmérsékletű, 800-900 fokos oxidáló atmoszférában az -Al2O3 bevonat az aktív Rh komponenssel reagálva nem-aktív alumíniumsókat képez, ami szintén csökkenti a katalizátor aktivitását.
A bevonó aktív alumínium-oxid magas hőmérsékleti stabilitásának javítása, valamint agglomerációjának és fázisátalakulásának megakadályozása érdekében az iparban jelenleg általánosan elterjedt módszer az, hogy az -Al2O3-hoz nem{1}}nemesfémeket, például ritkaföldfémeket vagy átmenetifémeket adnak. A ritkaföldfémek kitöltetlen 4f elektronhéjakkal, gazdag és szokatlan elektronenergia-szintekkel, valamint számos kiváló optikai, elektromos, mágneses és nukleáris tulajdonsággal rendelkeznek, amelyek nagyon aktív kémiai tulajdonságaikkal párosulva különböző kategóriájú, funkciójú és felhasználású új anyagokat alkothatnak más elemekkel. A ritkaföldfém-elemek kationjainak ionsugára sokkal nagyobb, mint az Al3+, ami növelheti az -Al2O3 fázisátalakulási hőmérsékletét, elnyomhatja az O2- vagy az Al3+ diffúzióját, ezáltal javítva a bevonat aktív alumínium-oxid magas hőmérsékletű szinterezéssel szembeni ellenállását, és megőrizheti annak nagy fajlagos felületét. Tanulmányok kimutatták, hogy az aktív alumínium-oxid szerkezetének stabilizálása során ritkaföldfémek, például La, Pr, Nd és Ce, valamint alkáliföldfémek, Ba, Sr és Ca stb. adhatók hozzá. Az aktív alumínium-oxid magas hőmérsékletű szinterezéssel szembeni ellenállása bizonyos mértékig összefügg a ritkaföldfém-elemek ionsugarainak méretével, és a jobb stabilizáló hatást nagyobb ionsugárral érik el. Ezért La a jobb módosító. A La-módosított aktív timföld egy perovszkit típusú LaAlO3-ot hoz létre a felületen, a nukleáris LaAlO3 pedig az Al2O3 rács sarkaira fog rögzíteni, ezáltal javítva a timföld termikus stabilitását és fajlagos felületét, és gátolja annak fázissá való átalakulását.
A ritkaföldfém-katalizátorok szerepe az autók kipufogógáz-tisztítására szolgáló háromutas katalizátorokban, különösen a katalizátorban lévő cérium-oxid oxigéntárolásában és felszabadításában. A cériumnak két oxidációs állapota van: Ce4+ 0,97 Å ionsugárral és Ce3+ 1,03 Å ionsugárral. Ahogy az oxigéntartalom a reakciórendszerben váltakozik, a katalizátorban lévő Ce4+ és Ce3+ is váltakozik, azaz ha magas az oxigéntartalom, a Ce3+ Ce4+-vé alakul, és a katalizátor több oxigént adszorbeál és tárol a reakciórendszerből; ha az oxigéntartalom alacsony, a Ce4+ Ce3+-vé alakul, és a katalizátor több oxigént bocsát ki a reakciórendszerbe. A cérium-oxid szerepe továbbá az alumínium-oxid hordozók fajlagos felületének és pórusszerkezetének stabilizálása, a nemesfém aktív komponensek jó diszperziójának fenntartása, a katalizátor aktivitásának, kén- és ólommérgezésével szembeni ellenállásának javítása stb.
A nagy -teljesítményű alumínium-oxid növelheti a katalizátor fajlagos felületét és a nemesfém-részecskék diszperzióját, biztosíthatja a nemesfém-részecskék nagyfokú diszperzióját, és jelentősen javíthatja a timföld magas hőmérsékleti stabilitását a módosítás után bizonyos mennyiségű ritkaföldfém-oxid hozzáadásával vagy az alumínium-oxid felületének ritkaföldfém-oxiddal történő módosításával. A nemesfémek fenti nagy -teljesítményű alumínium-oxid hordozóval, magas hőmérsékletű és nagy oxigéntároló képességű ritkaföldfém-oxiddal, egyéb adalékanyagokkal és ionmentesített vízzel való teljes összekeverése és őrlése után történik a bevonat, szárítás, kalcinálás és aktiválás, és a kapott háromutas tisztító katalizátor kiváló teljesítménnyel rendelkezik, és képes helyettesíteni az importált katalizátorokat. Az alumínium-oxid a legszélesebb körben használt katalizátor-bevonathordozó, de az Al2O3 hőstabilitási problémája régóta kínozza az embereket, különösen magas hőmérsékletű és vízgőz jelenlétében zajló reakciókörnyezetekben, az -Al2O3 hajlamos a fázisátalakulásra és szintereződésre, ami stabil -fázis kialakulásához vezet, és a fajlagos felület jelentős durvulása, fajlagos felületének csökkenése, a betöltött katalizátorok deaktiválása. Ezért a magas hőmérséklet-stabilitású és nagy fajlagos felületű alumínium-oxid hordozóanyagok kutatása és fejlesztése kulcsfontosságú technológia az autóipari kipufogógáz-tisztító katalizátorok új generációjának kifejlesztéséhez. Ezenkívül Kína a ritkaföldfémek jelentős gyártója, és az autóipari kipufogógáz-katalizátorok új fejlesztési iránya, hogy hogyan fejlesztheti ki előnyeit a ritkaföldfémekben, és hogyan fejleszthet ki ritkaföldfém-alapú, autóipari kipufogógáz-tisztítókatalizátorokat, amelyek jobb teljesítményt nyújtanak, és a nemesfém-katalizátorokat olcsó ritkaföldfémekkel helyettesítik.
Egyéb bevonat{0}}típusú katalizátorok
Az első típusú bevonat-típusú katalizátorok, mint például a gépjármű kipufogógáz-tisztítására szolgáló három-utas katalizátorok, a dízeljárművek kipufogógáz-tisztítására szolgáló négy-utas katalizátorok, az ipari hulladékgázok kéntelenítésére és denitrifikálására szolgáló katalizátorok, valamint a VOC-konverziós katalizátorok mellett létezik egy másik típusú P-katalizátor is, mint a precíziós P{3}. az üzemanyagcellás elektródákra bevont katalizátorok és a lítiumelem-leválasztókon nano-alumínium-oxid bevonatok. Mivel az üzemanyagcellákban használt Pt-katalizátorok hordozóanyagai főként szén-alapú anyagok, például grafit, és nano-alumínium-oxid anyagok, amelyeket lítium-ion akkumulátor-leválasztókra vonnak be.