朱敬芳 ,楊冬霞,于 飛,常仕英,桓源峰,顧永萬(wàn),潘再富,趙云昆
(1.昆明貴研催化劑有限責(zé)任公司,昆明 650106;2.昆明貴金屬研究所 稀貴金屬綜合利用新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,昆明 650106)
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng),汽車保有量大幅增加,同時(shí)汽車排放的尾氣對(duì)環(huán)境造成的污染越來(lái)越嚴(yán)重,汽車尾氣凈化技術(shù)是減少汽車排放尾氣污染較有效的方法。即將全面實(shí)施的《輕型車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第六階段)》(簡(jiǎn)稱國(guó)六)對(duì)汽車尾氣凈化技術(shù)提出了更高的要求。
汽油車排放的廢氣主要有一氧化碳(CO)、碳?xì)浠衔?HC)和氮氧化合物(NOx),其中CO 和HC 需徹底氧化,NOx需完全還原,從而實(shí)現(xiàn)無(wú)害排放。三效催化劑(TWC)是同時(shí)凈化CO、HC 和NOx最有效的催化劑。大量的研究發(fā)現(xiàn),在三效催化劑中,貴金屬銠對(duì)NOx具有很好的催化還原活性,O2的濃度會(huì)直接影響其轉(zhuǎn)化效率。在氧化性的氣氛中,N2是唯一的還原產(chǎn)物;在無(wú)氧條件下,低溫的主要還原產(chǎn)物是NH3,高溫的主要還原產(chǎn)物是而稀土鈰鋯基(CeO2-ZrO2)儲(chǔ)氧材料由于鈰的價(jià)態(tài)具有可變性(Ce3+和Ce4+),能夠在稀燃環(huán)境下存儲(chǔ)氧和在富燃環(huán)境下釋放晶格氧,進(jìn)而擴(kuò)寬催化劑的空燃比窗口,因此在汽車尾氣凈化催化劑中得到了廣泛應(yīng)用[3-5]。通過(guò)鑭(La)、鐠(Pr)、釹(Nd)和釔(Y)等稀土對(duì)鈰鋯基儲(chǔ)氧材料進(jìn)行摻雜改性能夠明顯提高材料的比表面積、儲(chǔ)氧性能、熱穩(wěn)定性等[6-18]。田久英等[18]研究表明,釹摻雜制備的CexZr1-xO2形成了CeO2-ZrO2-Nd2O3三元氧化物均相固溶體,且釹的摻雜提升了材料的還原性和高溫穩(wěn)定性。Wang等[19]研究表明釹摻雜到鈰鋯氧化物中可以提升其氧化性和儲(chǔ)氧性能,提高催化劑的活性,擴(kuò)寬空燃比窗口。有一些研究報(bào)道[20-22],在制備鈰鋯復(fù)合儲(chǔ)氧材料的方法中,水熱晶化法可以明顯提高材料的儲(chǔ)氧性能和織構(gòu)性能。還有些研究認(rèn)為通過(guò)表面活性劑的添加,改善材料在晶化過(guò)程中的孔道結(jié)構(gòu),因此也能夠提高材料的物化性能[23]。
傳統(tǒng)的Rh/CeZrLaNdOx催化劑采用浸漬法,將硝酸銠浸漬負(fù)載在合成好的CeZrLaNdOx復(fù)合氧化物載體上而制備得到。本文采用水熱晶化法,將硝酸銠和CeZrLaNdOx復(fù)合氧化物的硝酸鹽前驅(qū)體混合后,一步制備得到RhCeZrLaNdOx催化劑??疾焖疅峋Щ瘯r(shí)間和溫度,以及添加不同表面活性劑對(duì)催化劑的性能和結(jié)構(gòu)的影響,以CO 還原NO 為評(píng)價(jià)反應(yīng),對(duì)比兩種方法制備的催化劑的活性,為研制滿足國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)的汽車尾氣凈化催化劑提供支持。
硝酸鈰六水合物(Ce(NO3)3·6H2O)、硝酸鋯五水合物(Zr(NO3)4·5H2O)、硝酸鑭六水合物(La(NO3)3·6H2O)、硝酸釹六水合物(Nd(NO3)3·6H2O)、月桂酸、聚乙烯醇(PVA)、雙氧水(H2O2)、氨水(25%)均為分析純?cè)噭?,?gòu)自國(guó)藥試劑。硝酸銠(Rh(NO3)3)溶液(Rh 的質(zhì)量濃度為8.6%)由貴研鉑業(yè)有限責(zé)任公司提供。
商用 CeZrLaNdOx復(fù)合物(m(CeO2):m(ZrO2):m(La2O3):m(Nd2O3)=40:50:5:5)購(gòu)自Solvay 公司。實(shí)驗(yàn)用水為去離子水。制備用水熱反應(yīng)釜內(nèi)襯罐為聚四氟乙烯材質(zhì),容積150 mL,最高工作溫度200℃。
采用水熱晶化法,在不同水熱時(shí)間、溫度、不同表面活性劑種類條件下制備RhCeZrLaNdOx催化劑各20 g,其中m(Rh):m(CeO2):m(ZrO2):m(La2O3):m(Nd2O3)=1:39:50:5:5。
按m(Rh):m(CeO2):m(ZrO2):m(La2O3):m(Nd2O3)=1:39:50:5:5 的比例,稱取Rh(NO3)3溶液2.33 g,加 100 mL 去離子水稀釋;稱取 19.68 g Ce(NO3)3·6H2O、34.84 g Zr(NO3)4·5H2O、2.66 g La(NO3)3·6H2O 和2.60 g Nd(NO3)3·6H2O,分別加入到稀釋后的Rh(NO3)3溶液中攪拌使其充分溶解,添加5 mL 雙氧水到溶液中攪拌10 min,形成前驅(qū)體溶液,滴加濃度為25%的氨水到前驅(qū)體溶液中直至pH=9,停止滴加氨水,前驅(qū)體溶液沉淀完成,根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的表面活性劑(或者不添加),攪拌30 min。按照上述步驟分別制備7 份前驅(qū)體沉淀物,將沉淀物分別轉(zhuǎn)移至水熱晶化反應(yīng)釜中,按照后文表1 的條件,進(jìn)行不同水熱溫度、時(shí)間的晶化過(guò)程。水熱晶化完成后,使用去離子水對(duì)水熱晶化后的沉淀洗滌5 次,將洗滌后得到的沉淀置于坩堝中,放入鼓風(fēng)干燥箱中,在120℃下烘干6 h,烘干后的粉末置于馬弗爐中,空氣氣氛下,550℃煅燒4 h 得到RhCeZrLaNdOx催化劑的新鮮樣品(以編號(hào)“-F”標(biāo)識(shí)),將新鮮樣品取出10 g,置于馬弗爐中,空氣氣氛下,1000℃煅燒4 h 得到催化劑的老化樣品(以編號(hào)“-A”標(biāo)識(shí))。
以商用CeZrLaNdOx儲(chǔ)氧材料為載體,采用浸漬法制備Rh 的負(fù)載量(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)為1%的Rh/CeZrLaNdOx催化劑20 g,稱取2.33 g Rh(NO3)3溶液,加50 mL 去離子水進(jìn)行稀釋;稱取19.8 g CeZrLaNdOx儲(chǔ)氧材料浸漬到稀釋后的Rh(NO3)3溶液中,室溫下攪拌2 h,靜置2 h。觀察上層溶液由黃色變?yōu)闊o(wú)色,此時(shí)貴金屬已經(jīng)浸漬到載體中。將浸漬后的溶液放置于鼓風(fēng)干燥箱中,在120℃下干燥6 h,將干燥后的粉末放置于馬弗爐中,在空氣氣氛中于550℃焙燒4 h 得到新鮮催化劑(標(biāo)記為Rh/CeZrLaNdOx-F);取10 g 新鮮催化劑置于馬弗爐中,在空氣氣氛中,經(jīng)過(guò)1000℃,焙燒4 h 得到老化催化劑(標(biāo)記為Rh/CeZrLaNdOx-A)。
1) 儲(chǔ)氧量(OSC)采用熱重-差熱分析儀(TGDTA,德國(guó)Netzsch STA449F3)進(jìn)行測(cè)試。稱量100 mg 干燥樣品置于Al2O3坩堝中,在550℃時(shí)通入10%(體積分?jǐn)?shù),下同) O2-Ar 混合氣體進(jìn)行預(yù)處理20 min,將通入的氣體由10% O2-Ar 混合氣體切換為10% H2-Ar 混合氣體,并在550℃維持90 min,記錄整個(gè)過(guò)程中樣品質(zhì)量變化。儲(chǔ)氧量(OSC)由還原過(guò)程中樣品質(zhì)量損失百分比計(jì)算得到[6]。
2) 比表面積(SBET)采用N2-物理吸附儀(美國(guó)康塔NOVA 2000e)測(cè)定。測(cè)試前,將樣品在300℃真空條件下預(yù)處理3 h,以高純氮作吸附質(zhì),液氮溫度下進(jìn)行測(cè)定[20]。
3) 還原溫度采用化學(xué)吸附儀(美國(guó)康塔CHEMBET 3000)完成。將100 mg 樣品置于U 型石英管中,在20% O2-He 氣氛中550℃預(yù)處理1 h,以He 氣吹掃1 h,樣品降溫至50℃,然后在流量為75 mL/min 的10% H2-He 混合氣氛中進(jìn)行程序升溫還原反應(yīng),以10℃/min 的升溫速率升到900℃,用熱導(dǎo)檢測(cè)器記錄信號(hào)[20]。
4) 結(jié)構(gòu)表征[20]。采用X 射線衍射儀(XRD,日本Rigaku D/max-2000)測(cè)定樣品的XRD 圖譜。測(cè)試條件為:輻射源為Cu Kα (λ=0.15406 nm),管電壓和管電流分別為40 kV 和40 mA,掃描范圍為10°~90°,步長(zhǎng)為0.02°。
5) 形貌觀察。采用高分辨透射電鏡(TEM,日本JEM-2100)觀察樣品的微觀形貌。
催化劑性能測(cè)試在一套專用的多路固定床連續(xù)微型反應(yīng)器中進(jìn)行[10,20]。催化劑經(jīng)壓片過(guò)篩后選擇粒徑為40~60 目的催化劑作為測(cè)試媒介,催化劑用量為0.5 g。測(cè)試過(guò)程中的各路氣體分別用質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量進(jìn)入混合器,模擬氣組成為:NO 1000×10-6、CO 1000×10-6和CO28%,N2為平衡氣,氣體空速為 60000 h-1。用傅里葉紅外光譜分析儀(美國(guó)MKS2030)檢測(cè)不同溫度下反應(yīng)器前后模擬氣中NO 和CO 的濃度,計(jì)算轉(zhuǎn)化率。
2.1.1 比表面積和儲(chǔ)氧量
由于汽車尾氣凈化催化劑需要在高空速和高溫條件下使用,因此要求催化劑具有優(yōu)異的儲(chǔ)氧性能、較大的比表面積和良好的高溫?zé)岱€(wěn)定性。表1 列出了不同水熱晶化條件制備的催化劑的比表面積和儲(chǔ)氧量測(cè)試結(jié)果。
表1 不同水熱晶化條件制備的RhCeZrLaNdOx催化劑的比表面積(SBET)和儲(chǔ)氧量(OSC)Tab.1 Specific surface area (SBET) and oxygen storage capacity(OSC) of RhCeZrLaNdOx catalysts prepared at various hydrothermal crystallization conditions
1) 考察水熱時(shí)間的影響。表 1 中樣品RCZLN-1、2、3 的數(shù)據(jù)表明,保持水熱晶化溫度為120℃,水熱時(shí)間由2 h 增加到8 h,制備的新鮮態(tài)RhCeZrLaNdOx催化劑比表面積逐漸增大,儲(chǔ)氧量逐漸升高,但增幅較小,說(shuō)明水熱晶化時(shí)間對(duì)催化劑新鮮態(tài)下的比表面積和儲(chǔ)氧量的影響較??;經(jīng)過(guò)1000℃老化后,催化劑的比表面積和儲(chǔ)氧量均較新鮮狀態(tài)時(shí)降低,這主要是由于在高溫煅燒的過(guò)程中,催化劑發(fā)生燒結(jié),致使材料內(nèi)發(fā)生大孔坍塌、小孔團(tuán)聚造成的。老化后,晶化時(shí)間為2 h 的催化劑樣品(RCZLN-1)比表面積衰減嚴(yán)重,僅為32 m2/g;晶化時(shí)間為4 h 和8 h 的樣品比表面積有所衰減,結(jié)果分別為50 和52 m2/g,說(shuō)明晶化時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)催化劑的熱穩(wěn)定性有較大影響。隨著晶化時(shí)間的增長(zhǎng),催化劑的熱穩(wěn)定性增強(qiáng),當(dāng)水熱時(shí)間大于4 h 后,晶化時(shí)間的增長(zhǎng)對(duì)催化劑的熱穩(wěn)定性影響變小,據(jù)此,水熱晶化反應(yīng)時(shí)間以4 h 為宜。老化后,隨著晶化時(shí)間的增長(zhǎng),催化劑的儲(chǔ)氧量也隨之增高,這主要是由于隨著水熱晶化時(shí)間延長(zhǎng),Zr4+、La3+、Nd3+離子更容易進(jìn)入到CeO2晶格內(nèi)部進(jìn)行摻雜,減少團(tuán)聚,提升催化劑的熱穩(wěn)定性和儲(chǔ)氧量[14]。
2) 考察晶化溫度的影響。表1 中樣品RCZLN-2、4、5 結(jié)果表明,保持水熱晶化時(shí)間為4 h,晶化溫度從120℃升高到160℃(考慮水熱釜工作溫度和壓力的安全限制,未進(jìn)一步提高溫度),制備得到的新鮮態(tài)催化劑的比表面積逐漸增大,儲(chǔ)氧量逐漸升高;溫度為160℃時(shí)制備的催化劑(RCZLN-5)比表面積和儲(chǔ)氧量最大,分別為96 m2/g 和631 μmol/g。老化后,催化劑的比表面積和儲(chǔ)氧量都減少,但隨著制備溫度升高,比表面積的衰減率逐漸減少,說(shuō)明水熱晶化溫度對(duì)材料的晶型成長(zhǎng)具有很大影響。當(dāng)水熱晶化條件為160℃時(shí),老化后催化劑的比表面積和儲(chǔ)氧量較大,分別為60 m2/g 和518 μmol/g。綜合以上結(jié)果,水熱晶化溫度160℃為宜。
3) 考察表面活性劑的影響。由表1 數(shù)據(jù)可見(jiàn),采用相同的水熱晶化制備條件(160℃,4 h),對(duì)比添加月桂酸(RCZLN-5)、PVA(RCZLN-6)作為表面活性劑和不添加表面活性劑催化劑樣品(RCZLN-7)的比表面積和儲(chǔ)氧量。RCZLN-5 樣品的新鮮態(tài)和老化后的比表面積和儲(chǔ)氧性量均較其他兩個(gè)樣品更優(yōu)。主要是由于表面活性劑對(duì)材料的孔道成型具有很重要的作用,月桂酸宜作為制備用表面活性劑。
2.1.2 還原性能
催化劑的還原溫度越低,其還原性能越優(yōu),催化劑中存儲(chǔ)的晶格氧能夠在更低的溫度下釋放,有利于擴(kuò)寬空燃比窗口,更有利于催化劑的活性。不同水熱晶化條件下制備的RhCeZrLaNdOx催化劑樣品的程序升溫還原曲線如圖1 所示。
圖1 RhCeZrLaNdOx 催化劑的H2-TPR 曲線Fig.1 H2-TPR curves of RhCeZrLaNdOx catalysts
圖1 結(jié)果表明,催化劑樣品在400℃~650℃均出現(xiàn)一個(gè)明顯的還原峰,為CeO2釋放的晶格氧與H2發(fā)生反應(yīng),進(jìn)而被還原為Ce2O3的還原峰[6]。從新鮮態(tài)樣品曲線(圖1(a))看出,水熱晶化溫度為120℃時(shí),隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)(樣品RCZLN-1、2、3),催化劑的還原溫度逐漸降低;保持反應(yīng)時(shí)間不變,隨著水熱溫度的升高(樣品RCZLN-2、4、5),催化劑的還原溫度逐漸降低,且還原溫度的峰型更尖銳。說(shuō)明水熱晶化時(shí)間和溫度對(duì)催化材料的成型有較大影響。水熱晶化時(shí)間越長(zhǎng),溫度越高,越有利于其他離子摻雜進(jìn)入CeO2的晶格內(nèi)部,形成更多的氧空穴,具有更多的晶格氧,使得催化劑的還原溫度更低。催化劑老化后,所有樣品的還原溫度升高(圖1(b)),這主要是由于在老化過(guò)程中,催化劑材料內(nèi)部孔道結(jié)構(gòu)的坍塌造成氧空穴位減少,導(dǎo)致晶格氧變少造成的。
結(jié)合表1 的比表面積(SBET)數(shù)據(jù),添加PVA 作為表面活性劑(圖1 曲線6-F 和6-A)以及不添加表面活性劑(圖1 曲線7-F 和7-A)時(shí),樣品內(nèi)部的孔道不夠好,因此還原溫度比較高。RCZLN-5 催化劑具有較低的還原溫度,新鮮和老化的還原溫度分別為420℃和525℃。
綜合2.1.1 和2.1.2 的結(jié)果,以月桂酸作為表面活性劑,160℃水熱晶化4 h 制備得到的催化劑(RCZLN-5),具有較大的比表面積、較高的儲(chǔ)氧量和較低的還原溫度,且具有較好的熱穩(wěn)定性。在后續(xù)的研究中,采用該樣品進(jìn)行結(jié)構(gòu)、形貌和催化活性研究。
2.1.3 結(jié)構(gòu)和形貌
對(duì)具有最佳性能參數(shù)的RCZLN-5 催化劑進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征和形貌觀測(cè),其XRD 圖譜如圖2 所示,TEM 圖像如圖3 所示。
圖2 RCZLN-5 催化劑新鮮態(tài)和老化后的XRD 圖譜Fig.2 XRD patterns of fresh and aged sample RCZLN-5
圖2 中2θ為29.8°、34.2°、50.1°及59.5°處出現(xiàn)4 個(gè)特征衍射峰,根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[6],當(dāng)鈰鋯固溶體主要以立方晶型存在時(shí),[111]晶面的衍射峰在29°附近,主要以四方晶型存在時(shí),[111]晶面的衍射峰在30°左右,圖2 中催化劑的2θ為29.8°,說(shuō)明該催化劑主要以四方晶型存在。圖中沒(méi)有出現(xiàn)ZrO2、La2O3、Nd2O3的晶相衍射峰,說(shuō)明Zr4+、La3+、Nd3+已經(jīng)摻雜進(jìn)入到CeO2的晶格內(nèi)部,形成固溶體;XRD 衍射峰中沒(méi)有出現(xiàn)單質(zhì)Rh 或者Rh2O3的衍射峰,說(shuō)明Rh 可能像Zr4+等離子摻雜到CeO2的晶格內(nèi)部形成固溶體。催化劑老化后,仍以四方相的固溶體存在,但衍射峰強(qiáng)度增強(qiáng),峰型變得更加尖銳,說(shuō)明在1000℃老化過(guò)程中,發(fā)生了部分燒結(jié),導(dǎo)致晶粒尺寸增加。
圖3 新鮮態(tài)(a)和老化(b)的RCZLN-5 樣品的TEM 圖像Fig.3 TEM images of fresh (a) and aged (b) sample RCZLN-5
水熱晶化過(guò)程有利于催化材料的成型,不易聚集,因此形成的催化材料顆粒較小,由圖3(a)可見(jiàn),新鮮樣品微觀形貌為立方形納米顆粒,尺寸為5~8 nm。老化后,由圖3(b)可見(jiàn),催化材料由于燒結(jié)而有所團(tuán)聚,但仍是立方形的納米顆粒,顆粒大小增大到13~20 nm。圖3 中新鮮樣品與老化樣品中均未見(jiàn)單質(zhì)銠的顆粒,表明活性金屬銠可能以離子狀態(tài)進(jìn)入CeO2的晶格中形成固溶體。
對(duì)比測(cè)定了水熱晶化法制備的RCZLN-5 樣品、浸漬法制備的Rh/CeZrLaNdOx兩種催化劑樣品對(duì)模擬汽車尾氣廢氣(CO+NO)的催化活性,得到CO和NO 的轉(zhuǎn)化率-溫度曲線,如圖4 所示,根據(jù)圖4得到的對(duì)應(yīng)特征溫度列于表2。
圖4 兩種樣品對(duì)CO(a)和NO(b)的催化轉(zhuǎn)化率-溫度曲線Fig.4 Conversion-temperature profiles of CO (a)and NO (b) of two samples
對(duì)比圖4 中兩種新鮮態(tài)樣品的曲線,CO 和NO的催化轉(zhuǎn)化率都可以達(dá)到 100%。在新鮮態(tài)RCZLN-5 催化劑作用下,CO 和NO 的轉(zhuǎn)化率曲線更靠近左側(cè)低溫區(qū)域,說(shuō)明水熱晶化法制備的催化劑比浸漬法制備的催化劑(Rh/CeZrLaNdOx-F)具有更優(yōu)的低溫催化活性。催化劑經(jīng)相同條件老化后,CO 和NO 的轉(zhuǎn)化率曲線均向高溫方向移動(dòng),催化劑活性變差。與比表面積和TEM 表征結(jié)果相互佐證,這主要是由于催化劑老化后,比表面積變小、納米顆粒變大,導(dǎo)致催化劑的活性位點(diǎn)變少造成的。老化后,對(duì)比CO 和NO 的轉(zhuǎn)化率曲線,RCZLN-5-A比Rh/CeZrLaNdOx-A 更靠近低溫方向,說(shuō)明水熱晶化法制備的催化劑具有更優(yōu)的抗高溫老化活性。
表2 兩種催化劑對(duì)CO 還原NO 的轉(zhuǎn)化特征溫度Tab.2 Characteristic temperatures of two catalysts for the conversion of CO reduction NO
對(duì)比表2 中CO 和NO 在兩種不同催化劑作用下的起燃溫度(T50)和90%轉(zhuǎn)化溫度(T90)兩組特征溫度數(shù)據(jù)。新鮮態(tài)時(shí),水熱晶化法制備的催化劑的轉(zhuǎn)化特征溫度比浸漬法制備的催化劑低,表明前者具有更優(yōu)的低溫活性。老化后,RCZLN-5-A 的T50和T90仍然低于Rh/CeZrLaNdOx-A,進(jìn)一步證實(shí)水熱晶化法制備的催化劑具有更優(yōu)的抗高溫老化活性。
1) 貴金屬前驅(qū)體和稀土硝酸鹽前驅(qū)體混合沉淀后,經(jīng)過(guò)水熱晶化,可一步制備制得RhCeZrLa NdOx催化劑。催化劑新鮮態(tài)和老化后的比表面積、儲(chǔ)氧量和還原溫度等性能指標(biāo)隨水熱晶化溫度的升高而提升,反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)至4 h 以后無(wú)明顯提升,月桂酸作為表面活性劑對(duì)性能指標(biāo)改善明顯。
2) 以月桂酸作表面活性劑,在160℃水熱晶化4 h,制備得到性能指標(biāo)最佳的催化劑(RCZLN-5)。該催化劑是以四方相為主的固溶體納米顆粒,新鮮狀態(tài)下尺寸為5~8 nm,老化后顆粒尺寸增大到13~20 nm。
3) 對(duì)CO 還原NO 的反應(yīng),與傳統(tǒng)浸漬法制備的Rh/CeZrLaNdOx催化劑相比,水熱晶化法制備的催化劑(RCZLN-5)同樣可實(shí)現(xiàn)100%催化轉(zhuǎn)化,且后者轉(zhuǎn)化特征溫度更低,表現(xiàn)出更好的低溫催化活性。