Sn掺杂Cu/CeZrO2/γ-Al2O3汽车尾气催化剂的制备及抗硫性能研究

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机动车污染已成为大气污染的最主要的贡献者之一,其污染物主要来自于尾气中CO、NO、HC的排放。而治理汽车尾气最有效的方法是催化净化技术,它通常以贵金属铂(Pt)、钯(Pd)、铑(Rh)作为催化剂活性组分来实现尾气中三种主要污染物的去除。但贵金属造价高昂,且易与尾气中SO2反应,造成不可逆硫中毒,致使催化剂催化性能下降,使用寿命缩短,因此研发成本低廉且抗硫性能优良的三效催化剂使其高效去除汽车尾气中的CO、NO、HC等污染物势在必行。本文采用两步浸渍法,以γ-Al2O3作为载体,Cu O作为活性组分,锡(Sn)掺杂铈锆固溶体(CeZrO2)作为助剂,制备了Cu/CeZrSnO2/γ-Al2O3三效催化剂。重点考察了催化剂制备条件和反应条件对Cu/CeZrSnO2/γ-Al2O3反应活性和抗硫性能的影响,通过XRD、XPS、H2-TPR、O2-TPD、TG等表征手段,结合DFT计算阐明了Cu/CeZrSnO2/γ-Al2O3对CO、NO、HC的脱除机理及其抗硫机理,得到以下结论:(1)通过对比研究不同制备方法和Sn掺杂对三效催化剂催化性能与抗硫性能的影响,发现催化活性与抗硫性能均符合Cu/CeZrSnO2/γ-Al2O3-I>Cu/CeZrSnO2/γ-Al2O3-A>Cu/CeZrO2/γ-Al2O3-I,Cu/CeZrSnO2/γ-Al2O3-I催化剂对CO、NO、HC转化效率分别达到75.5%,82.5%,100%,在100ppm SO2下,其CO、NO和HC的转化率仅下降了13%、0.2%和22%。借助XRD、XPS、H2-TPR、O2-TPD等手段对Cu/CeZrO2/γ-Al2O3-I和Cu/CeZrSnO2/γ-Al2O3-I进行表征,发现Sn掺杂能够改善活性组分与助剂的构效关系,同时增加氧空位,提高氧迁移率,为氧化还原过程提供更大的缓冲空间。TG结果表明,Sn改性可以抑制催化剂活性组分表面硫酸盐的形成,从而提高催化剂的抗硫性能。(2)通过考察Cu负载量、Sn掺杂量以及焙烧温度对Cu/CeZrSnO2/γ-Al2O3三效催化剂催化性能的影响,发现当活性组分负载量为7wt%,Sn的掺杂量为0.1,焙烧温度为700℃时,所制备的催化剂具有最佳的催化性能。空燃比λ维持在1附近(氧浓度为1.9%),空速为40000 h-1,催化剂反应温度为600℃时,Cu/CeZrSnO2/γ-Al2O3三效催化剂对于CO、NO、HC转化效率分别为88%,92%,100%。(3)利用密度泛函理论计算的方法研究了Sn掺杂Cu/CeZrO2(110)催化剂的电子结构和SO2抗硫性能之间的关系。结果表明Cu在CeZrO2(110)表面上最稳定吸附位点是氧桥位,最稳定吸附能为-3.52 e V。通过分析Cu-d带中心、电荷变化、分波态密度(PDOS)和SO2的吸附能发现,Sn原子掺杂增强了活性组分Cu的正电性和Cu-O之间的相互作用,抑制了SO2在Cu活性位点上的吸附,进而提高了催化剂的催化性能和其抗硫中毒能力。
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