本發(fā)明屬于汽車尾氣催化技術(shù)領(lǐng)域,特別涉及一種用于汽車尾氣凈化的稀土鈣鈦礦型儲氧材料。
技術(shù)背景
汽車尾氣中包含的主要有害成分有一氧化碳(CO)、碳?xì)浠衔?HC)和氮氧化物(NOx)。隨著汽車尾氣排放限制法規(guī)日趨嚴(yán)格,可以同時去除上述三類污染物的三效催化劑(Three-way catalysts,簡稱TWCs)已廣泛應(yīng)用于汽車尾氣污染控制。由于在三效催化中同時存在氧化和還原反應(yīng),只有在氧化物和還原物的比值在一定范圍時,才能通過相互反應(yīng)達(dá)到同時消除的目的,這個特定的氣氛范圍通常被稱作TWC的操作窗口(Operation Window)。但是在實際情況中,由于路面狀況、車速等限制,使得空燃比的波動范圍遠(yuǎn)超過最佳范圍,從而影響TWC對各種污染物的同時凈化效果。針對上述問題,基本的解決方法是在催化劑中添加儲氧材料,這種材料可以通過金屬離子的可逆氧化還原實現(xiàn)在富氧或貧氧的氣氛下快速地存儲或釋放氧,從而調(diào)節(jié)排氣中的氧化還原比,拓寬TWC的操作窗口。
由于汽車尾氣排放的溫度會隨著車速變化在200~1100℃范圍內(nèi)波動,因此用于汽車尾氣排放控制的TWCs對儲氧材料的熱穩(wěn)定性提出了很高的要求。目前應(yīng)用最廣泛的儲氧材料是鈰鋯儲氧材料。近年來各類新型高性能儲氧材料的開發(fā)也成為這一領(lǐng)域研究的熱點。鈣鈦礦型復(fù)合氧化物(ABO3)由于其良好的氧滲透性和高熱穩(wěn)定性,也成為被研究的儲氧材料之一。例如:在文獻(xiàn)“Journal ofCatalysis,1997,165,197-204.”中報道,La(MnRh)O3.15鈣鈦礦型材料具有較高的儲氧能力,約為0.15mol[0]/mol cat.(約620μmol/g cat.),其儲氧能力主要來自于Mn4+和Mn3+離子之間的可逆轉(zhuǎn)變以及該體系中較強(qiáng)的氧遷移能力。再如,不含貴金屬的A位摻雜型的LaMnO3和LaCoO3鈣鈦礦型材料(Appliedcatalysis B:Environment,2005,58,273-288.)在480℃下儲氧性能最佳可以達(dá)到450μmol/g cat.以上,基本與目前商用的鈰基儲氧材料的儲放氧能力相當(dāng),但低溫儲氧性能不佳。另有專利(JP 2006176346)指出,新制備的SrFeO3鈣鈦礦型材料在400℃時在He-O2-He-H2的連續(xù)脈沖下測得的儲氧能力約為700μmol/g cat。因此,研制兼有優(yōu)良中低溫儲氧性能和高熱穩(wěn)定性的實用型稀土鈣鈦礦儲氧材料,對于推進(jìn)新型儲氧材料的開發(fā)以及鈣鈦礦型儲氧材料的商業(yè)化應(yīng)用具有重要的意義。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的是提供一種用于汽車尾氣凈化的稀土鈣鈦礦型儲氧材料。所述稀土鈣鈦礦型儲氧材料的通式為La1-xAxMn1-yByO3,其中A為Sr、Y、Ce、Pr和Nd中之一種;B為Ni、Fe、Cu和Co中之一種;0≤x≤0.4;0≤y≤0.4;x、y為摩爾值;該儲氧材料具有優(yōu)良的中低溫儲氧性能和高溫?zé)岱€(wěn)定性,可以用來替代鈰鋯儲氧材料,用于汽車尾氣凈化,擴(kuò)寬汽車尾氣凈化催化劑的操作窗口。
所述稀土鈣鈦礦型儲氧材料可采用溶膠-凝膠法、共沉淀法等濕化學(xué)方法制備。
本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明所制得的La1-xAxMn1-yByO3儲氧材料具有優(yōu)良的中低溫儲氧性能和高溫?zé)岱€(wěn)定性。經(jīng)1000℃水熱老化5h之后,仍能維持良好的儲氧性能,且遠(yuǎn)高于鈰鋯儲氧材料的測試性能,能夠滿足當(dāng)前汽車尾氣處理技術(shù)對儲氧材料的低溫性能和實用壽命的要求,可以用于替代鈰鋯儲氧材料用于汽車尾氣凈化,以擴(kuò)寬汽車尾氣凈化催化劑的操作窗口,具有較強(qiáng)的推廣價值。制備該儲氧材料所采用的溶膠-凝膠法、共沉淀法等濕化學(xué)制備工藝過程簡單,重復(fù)性好,容易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
附圖說明
圖1為實施例1、2、3所述樣品LaMnO3、LaMn0.9Ni0.1O3、La0.7Sr0.3Mn0.9Ni0.1O3及比較例1所述樣品Ce0.67Zr0.33O2的動態(tài)儲氧性能。圖中橫坐標(biāo)為測試溫度,縱坐標(biāo)為動態(tài)儲氧性能的值。測試條件是4vol%CO和2vol%O2脈沖式氣氛,平衡氣為He,總流量300ml/min,脈沖頻率0.1Hz。
圖2為實施例4所述老化樣品LaMnO3、LaMn0.9Ni0.1O3、La0.7Sr0.3M0.9Ni0.1O3和比較例2所述樣品Ce0.67Zr0.33O2的動態(tài)儲氧性能。圖中橫坐標(biāo)為測試溫度,縱坐標(biāo)為動態(tài)儲氧性能的值。所有樣品均經(jīng)過1000℃水熱老化5h,測試條件是4vol%CO和2vol%O2脈沖式氣氛,平衡氣為He,總流量300ml/min,脈沖頻率0.1Hz。
具體實施方式
本發(fā)明為一種稀土鈣鈦礦型儲氧材料。所述稀土鈣鈦礦型儲氧材料為摻雜的錳酸鑭復(fù)合氧化物儲氧材料,其通式為La1-xAxMn1-yByO3,其中A為Sr、Y、Ce、Pr和Nd中之一種;B為Ni、Fe、Cu和Co中之一種;0≤x≤0.4;0≤y≤0.4;x、y為摩爾值;所述稀土鈣鈦礦型儲氧材料可通過多種濕化學(xué)方法合成。例如溶膠-凝膠法、共沉淀法等。溶膠-凝膠法可以選擇絡(luò)合法或水解法;共沉淀法的沉淀劑可以選擇NaCO3、氨水等。制備過程簡單,重復(fù)性好,易于工業(yè)化。以一種屬于溶膠-凝膠法的檸檬酸絡(luò)合法為例,其步驟是:先將選定金屬元素的可溶鹽按設(shè)計化學(xué)計量比混合溶解于水中;加入過量的檸檬酸作為絡(luò)合劑,滴加少許乙二醇作為增稠劑,加熱攪拌,直至水分蒸發(fā)產(chǎn)生粘稠狀膠體,將膠體在空氣氣氛中充分干燥,研細(xì),300℃預(yù)燒1小時,得到多孔粉末,再于750℃~950℃煅燒3~5小時,制得La1-xAxMn1-yByO3鈣鈦礦型儲氧材料。所述選定金屬元素的可溶鹽包括所選定金屬的硝酸鹽、醋酸鹽和氯鹽。所述稀土鈣鈦礦型儲氧材料成單一鈣鈦礦(ABO3)結(jié)構(gòu),平均粒徑為50~100nm。
下面例舉實施例對本發(fā)明予以說明。
實施例1
將硝酸鑭[La(NO3)3·6H2O]6.93g,硝酸錳[50wt%Mn(NO3)2溶液]5.73g置于40ml去離子水中,攪拌溶解,在室溫和攪拌的條件下加入6.72g檸檬酸,溶解后再滴加0.67g乙二醇,滴加完畢后,在80℃加熱攪拌,直至水分蒸發(fā)產(chǎn)生粘稠狀膠體。將所得的膠體在空氣氣氛中110℃干燥10小時,取出研細(xì),經(jīng)300℃預(yù)燒1小時,800℃煅燒3小時,爐冷后制得黑色粉末。
經(jīng)X射線衍射(XRD)分析結(jié)果鑒定(如圖1所示),該粉體是由LaMnO3鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的復(fù)合氧化物構(gòu)成的單一結(jié)晶物。
實施例2
將醋酸鑭[La(CH3COO)3·2H2O]5.63g,醋酸錳[Mn(CH3COO)2]2.49g,醋酸鎳[Ni(CH3COO)2·H2O]0.31g置于40mL去離子水中,攪拌至充分溶解后,在80℃加熱攪拌使其充分水解,直至水分蒸發(fā)產(chǎn)生粘稠狀膠體。將所得的膠體在空氣氣氛中110℃干燥10小時,取出研細(xì),煅燒。煅燒過程與實施例1同樣操作,得到黑色粉末。
經(jīng)X射線衍射分析結(jié)果鑒定(如圖1所示),該粉體是由LaMn0.9Ni0.1O3鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的復(fù)合氧化物構(gòu)成的單一結(jié)晶物。
實施例3
將氯化鑭[LaCl3·7H2O]4.16g,硝酸鍶[Sr(NO3)2]1.02g,醋酸錳[Mn(CH3COO)2]2.49g,硝酸鎳[Ni(NO3)2·5H2O]0.44g置于40mL去離子水中,攪拌溶解后將混合溶液緩慢滴入過量的氨水溶液中(pH=9~11),同時快速攪拌氨水溶液使沉淀充分、均勻,滴加完畢后靜置8~10小時,過濾,將所得沉淀在空氣氣氛中110℃干燥10小時,取出研細(xì),煅燒。煅燒過程與實施例1同樣操作,得到黑色粉末。
經(jīng)X射線衍射分析結(jié)果鑒定(如圖1所示),該粉體是由La0.7Sr0.3Mn0.9Ni0.1O3鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的復(fù)合氧化物構(gòu)成的單一結(jié)晶物。
實施例4
將實施例1、實施例2和實施例3中制備的LaMnO3、LaMn0.9Ni0.1O3和La0.7Sr0.3Mn0.9Ni0.1O3儲氧材料分別裝在石英管中,在流量為0.8L/min的7vol%H2O/空氣混合氣氛中1000℃處理5小時,冷卻后得到老化LaMnO3、LaMn0.9Ni0.1O3和La0.7Sr0.3Mn0.9Ni0.1O3儲氧材料樣品(如圖2所示)。
比較例1
在200ml的燒杯中加入4.65g硝酸亞鈰[Ce(NO3)3·6H2O]、1.69g硝酸氧鋯[ZrO(NO3)2·5H2O]和40ml的水,攪拌溶解,然后在室溫和攪拌的條件下加入4.48g檸檬酸,溶解后再滴加0.45g乙二醇,滴加完畢后,在80℃加熱攪拌,直至水分蒸發(fā)產(chǎn)生粘稠狀膠體。然后將所得的膠體在空氣氣氛中110℃干燥10小時,取出研細(xì),經(jīng)300℃預(yù)燒1小時,500℃煅燒3小時,爐冷后制得黃色粉末Ce0.67Zr0.33O2。
比較例2
將比較例1中制備的Ce0.67Zr0.33O2儲氧材料裝在石英管中,在流量為0.8L/min的7vol%H2O/空氣混合氣氛中1000℃水熱處理5小時,冷卻后得到老化Ce0.67Zr0.33O2儲氧材料樣品。
測試?yán)?
以實施例1、實施例2、實施例3和比較例1中所制得儲氧材料樣品LaMnO3、LaMn0.9Ni0.1O3、La0.7Sr0.3Mn0.9Ni0.1O3和Ce0.67Zr0.33O2為例,在CO和O2脈沖式氣氛中分別進(jìn)行動態(tài)儲放氧性能評價(Dynamic OSC measurement)。
各取25mg新制得的LaMnO3(實施例1)、LaMn0.9Ni0.1O3(實施例2)、La0.7Sr0.3Mn0.9Ni0.1O3(實施例3)和Ce0.67Zr0.33O2(比較例1)分別裝在石英管反應(yīng)器中。測試溫度從250到500℃,每50℃為一個測試點。測試時連續(xù)打入多個CO-O2脈沖(頻率0.1Hz),平衡氣為He,流量為300ml/min。記錄出氣管路中的CO2濃度,動態(tài)儲氧性能的值按照平均每個CO-O2脈沖周期中生成的CO2總量計算,結(jié)果如圖1所示。
由圖中結(jié)果可知,實施例1所得儲氧材料的動態(tài)儲氧性能與比較例所得樣品相當(dāng),實施例2和實施例3所得儲氧材料的動態(tài)儲氧性能均優(yōu)于比較例1。其中實施例3所得樣品La0.7Sr0.3Mn0.9Ni0.1O3的動態(tài)儲氧性能最優(yōu),其在300、400和500℃時的動態(tài)儲氧性能分別為297.7、727.3和1075.3μmol[0]/g cat.,比比較例1所得鈰鋯樣品的動態(tài)儲氧性能分別提高了242.2、459.5和606.0μmol/gcat.。
測試?yán)?
以實施例4和比較例2中所制得的老化儲氧材料樣品LaMnO3、LaMn0.9Ni0.1O3、La0.7Sr0.3Mn0.9Ni0.1O3和Ce0.67Zr0.33O2為例,在CO和O2脈沖式氣氛中進(jìn)行動態(tài)儲放氧性能評價,評價條件和過程同測試?yán)?。結(jié)果如圖2所示。由圖中結(jié)果可知,經(jīng)1000℃水熱老化5h之后,所有實施例所得樣品均保持了較高的儲氧性能,且遠(yuǎn)高于比較例2中所得樣品的儲氧性能。其中以老化La0.7Sr0.3Mn0.9Ni0.1O3的性能最優(yōu),其在300、400和500℃時的動態(tài)儲氧性能分別為99.9、328.4和800.3μmol[0]/g cat。
本發(fā)明所述稀土鈣鈦礦型儲氧材料能夠滿足當(dāng)前汽車尾氣處理對儲氧材料的低溫性能和實用壽命的要求,可以用于替代鈰鋯固溶體儲氧材料用于汽車尾氣凈化,以擴(kuò)寬汽車尾氣凈化催化劑的操作窗口。