Καταλύτης καθαρισμού καυσαερίων αυτοκινήτου
1. Μηχανισμός Καταλυτικής Δράσης
Οι ρύποι στα καυσαέρια των αυτοκινήτων περιλαμβάνουν κυρίως μονοξείδιο του άνθρακα (CO), υδρογονάνθρακες (HC), οξείδια του αζώτου (NO), διοξείδιο του θείου (SO2) και σωματίδια (ενώσεις μολύβδου, αιθάλη άνθρακα κ.λπ.). Επί του παρόντος, υπάρχουν δύο κύριες μέθοδοι για τον καθαρισμό των καυσαερίων του αυτοκινήτου: εσωτερικός καθαρισμός και εξωτερικός καθαρισμός. Ο εσωτερικός καθαρισμός περιλαμβάνει την αλλαγή της δομής του κινητήρα για την προώθηση της πλήρους καύσης του καυσίμου ή για τη διευκόλυνση της επαν{4}}καύσης ορισμένων καυσαερίων για τη μείωση των επιβλαβών ουσιών. Ο εξωτερικός καθαρισμός χρησιμοποιεί κυρίως μεθόδους καταλυτικού καθαρισμού, οι οποίοι περιλαμβάνουν τόσο αντιδράσεις οξείδωσης CO και HC όσο και αντιδράσεις αναγωγής NO, χρησιμοποιώντας καταλυτική δράση για τη μετατροπή των επιβλαβών ουσιών στα καυσαέρια σε αβλαβή CO, H2O και N2. Οι μέθοδοι καταλυτικού καθαρισμού που χρησιμοποιούνται επί του παρόντος περιλαμβάνουν την καταλυτική οξείδωση, την καταλυτική αναγωγή-οξείδωση και τον τρι-καταλυτικό καθαρισμό. Οι καταλύτες τριών{11}}δρόμων χρησιμοποιούνται ευρέως σε διάφορες χώρες. Ο καταλύτης τριών{13}τρόπων αποτελείται κυρίως από τρία μέρη: το υπόστρωμα του καταλύτη, την ενεργή επίστρωση και τα καταλυτικά ενεργά συστατικά. Επιπλέον, για να βελτιωθεί η απόδοση του καταλύτη, μικρές ποσότητες προσθέτων προστίθενται συχνά στη δραστική επικάλυψη και στα καταλυτικά ενεργά συστατικά, κυρίως οξείδια σπάνιων γαιών και οξείδια μετάλλων αλκαλικών γαιών κ.λπ.
2. Λειτουργία φορέα και απαιτήσεις
Οι συνθήκες χρήσης του τρι-καταλυτικού μετατροπέα για τον καθαρισμό των καυσαερίων αυτοκινήτων είναι αρκετά σκληρές, συμπεριλαμβανομένων των διακυμάνσεων της θερμοκρασίας που κυμαίνονται από -50 βαθμούς έως 950 μοίρες, έντονες κρούσεις και κραδασμούς από τη ροή αέρα υψηλής ταχύτητας και διάρκεια ζωής έως 2 χρόνια ή 160.000 χιλιόμετρα. Επιπλέον, η υψηλή αντοχή σε δραστηριότητα και θερμοκρασία που απαιτείται για την οξείδωση και τη μείωση των NOx με CO και HC, καθώς και η αντοχή σε δηλητηρίαση από S και P, επιβάλλουν υψηλότερες απαιτήσεις στον καταλύτη. Η σύνθεση του καταλύτη, η συμβατότητα μεταξύ των διαφόρων συστατικών και οι ιδιότητες της ενεργού αλουμίνας που χρησιμοποιείται έχουν σημαντικές επιπτώσεις στην απόδοση του καταλύτη, ειδικά επηρεάζουν άμεσα τη δραστηριότητα και τη διάρκεια ζωής του καταλύτη.
(1) Σύνθεση Καταλύτη
Οι καταλύτες τριών{0}τρόπων αποτελούνται κυρίως από το υπόστρωμα του καταλύτη, την ενεργή επίστρωση και τα ενεργά συστατικά. Μέσω ειδικών διαδικασιών προετοιμασίας και διαφορετικών κατανομών ενεργών συστατικών με διαφορετικές αναλογίες στην επίστρωση, μπορούν να ικανοποιηθούν οι απαιτήσεις για καλή καταλυτική απόδοση σε διαφορετικές θέσεις στο σύστημα εξάτμισης του αυτοκινήτου, από την ψυχρή εκκίνηση έως την υψηλή θερμοκρασία.
Υπόστρωμα καταλύτη: Το υπόστρωμα, γνωστό και ως στήριγμα, περιλαμβάνει κυρίως κυψελοειδή κεραμικά από κορδιερίτη, καρβίδιο του πυριτίου, μεταλλικές κηρήθρες, κυματοειδές φύλλα κ.λπ. μεγάλη εξωτερική επιφάνεια και πορώδες για τη διευκόλυνση της πρόσφυσης και της διασποράς της ενεργής επίστρωσης. χαμηλός συντελεστής θερμικής διαστολής και αντοχή σε υψηλή θερμοκρασία για την αποφυγή ρωγμών και παραμορφώσεων που οδηγούν σε αποκόλληση της επίστρωσης λόγω δραστικών αλλαγών στη θερμοκρασία λειτουργίας. υψηλή διαπερατότητα ροής αέρα και υψηλή αντίσταση πτώσης πίεσης για την αποφυγή υπερβολικής απώλειας ισχύος κινητήρα λόγω υψηλής αντίστασης καυσαερίων. χαμηλή θερμική ικανότητα και υψηλή θερμική αγωγιμότητα για γρήγορη αύξηση της θερμοκρασίας κατά τις ψυχρές εκκινήσεις για καταλυτική δράση. και ανοσία σε ουσίες που μπορεί να δηλητηριάσουν τον καταλύτη χωρίς να αλληλεπιδράσουν μαζί του.
Ενεργή επίστρωση: Η επίστρωση πρέπει να έχει ισχυρή πρόσφυση στο υπόστρωμα και συντελεστή θερμικής διαστολής παρόμοιο με αυτόν του υποστρώματος για να αποφευχθεί η αποκόλληση της επίστρωσης λόγω διακυμάνσεων θερμοκρασίας και θερμικής διαστολής και συστολής του υποστρώματος. καλή σταθερότητα σε υψηλές-θερμοκρασίες για την αναστολή του μετασχηματισμού φάσης ή της πυροσυσσωμάτωσης σε υψηλές θερμοκρασίες. και ορισμένη ανοχή σε ίχνη τοξικών ουσιών όπως Pb, S και P για την αποφυγή δηλητηρίασης των δραστικών συστατικών. Εκτός από την ενεργή αλουμίνα, το υλικό επικάλυψης περιλαμβάνει κυρίως σύνθετα οξείδια σπάνιων γαιών όπως Ce και Zr, μέταλλα αλκαλικών γαιών ή αλκαλικά μέταλλα και οξείδια μετάλλων όπως Ba, Sr και TiO2, που προστίθενται για τη βελτίωση της θερμικής σταθερότητας του υλικού επικάλυψης και την ενίσχυση της αντοχής του καταλύτη σε υψηλές θερμοκρασίες, την ικανότητα αποθήκευσης οξυγόνου των ενεργών συστατικών, την αντίσταση στη διασπορά.
Ενεργά συστατικά του καταλύτη: Τα ενεργά συστατικά πρέπει να έχουν καλή αντίσταση σε υψηλές{{0} θερμοκρασία, αντοχή σε δηλητηρίαση S, P, χαμηλή θερμοκρασία ανάφλεξης, υψηλή καταλυτική δραστηριότητα, συμπεριλαμβανομένης της υψηλής απόδοσης οξείδωσης CO και HC και υψηλής απόδοσης μείωσης των NOx και καλής διασποράς. Τα ενεργά συστατικά των πολύτιμων μετάλλων περιλαμβάνουν κυρίως πλατίνα, παλλάδιο, ρόδιο και τους συνδυασμούς τους. Το παλλάδιο και η πλατίνα έχουν εξαιρετική καταλυτική δράση για την οξείδωση των HC και CO, ενώ το ρόδιο έχει εξαιρετική καταλυτική δράση για τη μείωση των NOx και η δραστικότητα του σε χαμηλή{{3} θερμοκρασία είναι καλύτερη από αυτή του παλλαδίου και της πλατίνας. Με την αυστηροποίηση των προτύπων εκπομπών των αυτοκινήτων και την ευρεία εφαρμογή των προτύπων Euro V, οι απαιτήσεις εκπομπών για NOx γίνονται πιο αυστηρές και οι τρι-καταλυτικοί μετατροπείς περιέχουν γενικά διαφορετικές ποσότητες ροδίου.
Οι καταλυτικοί μετατροπείς τριών-τρόπων για τον καθαρισμό των καυσαερίων αυτοκινήτων μπορούν να διατηρήσουν καλή απόδοση κάτω από σκληρές συνθήκες λειτουργίας και ο συνδυασμός βελτιστοποίησης του υποστρώματος του καταλύτη, της ενεργής επίστρωσης και των ενεργών συστατικών είναι ζωτικής σημασίας πέρα από τις καλές μεθόδους προετοιμασίας. Οι καταλύτες τρισ ενεργοποίηση.
(2) Ρόλος και επιρροή της αλουμίνας
Ο ρόλος της ενεργού αλουμίνας στους καταλυτικούς μετατροπείς τριών{0}}τρόπων έγκειται στο να χρησιμεύει ως φορέας ενεργών συστατικών πολύτιμων μετάλλων για να εξασφαλίζεται η υψηλή διασπορά τους και ως συστατικό του υλικού επίστρωσης για να παρέχει υψηλή ειδική επιφάνεια, να διατηρεί καλή πρόσφυση και να ταιριάζει με το κεραμικό υπόστρωμα και να αποτρέπει την αποκόλληση της επίστρωσης και τη μετατροπή φάσης. Επί του παρόντος, η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη ενεργή αλουμίνα είναι η AOS, η οποία έχει μεγάλη ειδική επιφάνεια, μέτρια κατανομή πόρων και καλή αντοχή στη σύντηξη. Ωστόσο, το -Al2O3 είναι μια μετασταθερή φάση και είναι επιρρεπής σε μετασχηματισμό φάσης και πυροσυσσωμάτωση σε υψηλές θερμοκρασίες, οδηγώντας σε σταθερή -φάση και τραχύτητα σωματιδίων, με αποτέλεσμα σημαντική μείωση της ειδικής επιφάνειας, επηρεάζοντας έτσι τη διασπορά των ενεργών μετάλλων στην επιφάνειά του και μειώνοντας την απόδοση του καταλύτη ή ακόμα και την απενεργοποίηση. Επιπλέον, σε μια οξειδωτική ατμόσφαιρα υψηλής θερμοκρασίας 800~900 βαθμών, η επίστρωση {{11}Al2O3 θα αντιδράσει με το ενεργό συστατικό Rh για να σχηματίσει μη-μη ενεργά άλατα αλουμινίου, μειώνοντας επίσης τη δραστηριότητα του καταλύτη.
Για να βελτιωθεί η σταθερότητα της ενεργής αλουμίνας σε υψηλές-θερμοκρασίες και να αποτραπεί η συσσωμάτωση και ο μετασχηματισμός φάσης της, η τρέχουσα κοινή μέθοδος στη βιομηχανία είναι η προσθήκη μη-στοιχείων από πολύτιμα μέταλλα, όπως σπάνια γη ή μέταλλα μετάπτωσης στο -Al2O3. Τα στοιχεία σπανίων γαιών έχουν απλήρωτα κελύφη ηλεκτρονίων 4f, πλούσια και ασυνήθιστα επίπεδα ενέργειας ηλεκτρονίων και πολλές εξαιρετικές οπτικές, ηλεκτρικές, μαγνητικές και πυρηνικές ιδιότητες, σε συνδυασμό με τις πολύ ενεργές χημικές τους ιδιότητες, μπορούν να σχηματίσουν διάφορα νέα υλικά με διαφορετικές κατηγορίες, λειτουργίες και χρήσεις με άλλα στοιχεία. Τα κατιόντα των στοιχείων σπάνιων γαιών έχουν ακτίνες ιόντων πολύ μεγαλύτερες από το Al3+, το οποίο μπορεί να αυξήσει τη θερμοκρασία μετασχηματισμού φάσης του -Al2O3, να καταστέλλει τη διάχυση του O2- ή του Al3+, βελτιώνοντας έτσι την υψηλή-αντίσταση πυροσυσσωμάτωσης σε υψηλή θερμοκρασία, διατηρώντας την αντίσταση πυροσυσσωμάτωσης σε υψηλή θερμοκρασία και διατηρώντας μια ειδική περιοχή φωτισμού της επιφάνειάς της. Μελέτες έχουν δείξει ότι κατά τη σταθεροποίηση της δομής της ενεργού αλουμίνας, μπορούν να προστεθούν στοιχεία σπανίων γαιών όπως La, Pr, Nd και Ce, καθώς και μέταλλα αλκαλικών γαιών Ba, Sr και Ca κ.λπ. Η αντίσταση πυροσυσσωμάτωσης της ενεργού αλουμίνας σε υψηλές θερμοκρασίες σχετίζεται με το μέγεθος των ακτίνων ιόντων σπανίων γαιών σε κάποιο βαθμό και το καλύτερο σταθεροποιητικό αποτέλεσμα επιτυγχάνεται με μεγαλύτερες ακτίνες ιόντων. Επομένως, το La είναι ο καλύτερος τροποποιητής. Η τροποποιημένη ενεργή αλουμίνα La-θα σχηματίσει ένα LaAlO3 τύπου περοβσκίτη στην επιφάνεια και το πυρηνωμένο LaAlO3 θα στερεωθεί στις γωνίες του πλέγματος Al2O3, βελτιώνοντας έτσι τη θερμική σταθερότητα και την ειδική επιφάνεια της αλουμίνας και αναστέλλοντας τη μετατροπή της στη φάση.
Ο ρόλος των καταλυτικών υλικών σπάνιων γαιών σε καταλυτικούς μετατροπείς τριών-τρόπων για τον καθαρισμό των καυσαερίων αυτοκινήτων, ιδιαίτερα τη λειτουργία αποθήκευσης και απελευθέρωσης οξυγόνου του οξειδίου του δημητρίου στον καταλύτη. Το δημήτριο έχει δύο καταστάσεις οξείδωσης, το Ce4+ με ακτίνα ιόντων 0,97 Å και το Ce3+ με 1,03 Å. Καθώς η περιεκτικότητα σε οξυγόνο στο σύστημα αντίδρασης εναλλάσσεται, το Ce4+ και το Ce3+ στον καταλύτη επίσης εναλλάσσονται, δηλαδή, όταν η περιεκτικότητα σε οξυγόνο είναι υψηλή, το Ce3+ μετατρέπεται σε Ce4+ και ο καταλύτης απορροφά και αποθηκεύει περισσότερο οξυγόνο από το σύστημα αντίδρασης. όταν η περιεκτικότητα σε οξυγόνο είναι χαμηλή, το Ce4+ μετατρέπεται σε Ce3+ και ο καταλύτης απελευθερώνει περισσότερο οξυγόνο στο σύστημα αντίδρασης. Ο ρόλος του οξειδίου του δημητρίου περιλαμβάνει επίσης τη σταθεροποίηση της ειδικής επιφάνειας και της δομής των πόρων των φορέων αλουμίνας, τη διατήρηση της καλής διασποράς των ενεργών συστατικών πολύτιμων μετάλλων, τη βελτίωση της δραστηριότητας και της αντίστασης στη δηλητηρίαση από θείο και μόλυβδο του καταλύτη κ.λπ.
Η αλουμίνα υψηλής απόδοσης-μπορεί να αυξήσει την ειδική επιφάνεια του καταλύτη και τη διασπορά των σωματιδίων πολύτιμων μετάλλων, να εξασφαλίσει την υψηλή διασπορά σωματιδίων πολύτιμων μετάλλων και να βελτιώσει σημαντικά τη σταθερότητα της αλουμίνας σε Μετά την πλήρη ανάμειξη και λείανση πολύτιμων μετάλλων με τον παραπάνω φορέα αλουμίνας υψηλής απόδοσης, οξείδιο σπάνιων γαιών με υψηλή θερμοκρασία και υψηλή απόδοση αποθήκευσης οξυγόνου, άλλα πρόσθετα συστατικά και απιονισμένο νερό, στη συνέχεια πραγματοποιείται επικάλυψη, ξήρανση, φρύξη και ενεργοποίηση και ο λαμβανόμενος καταλύτης έχει εξαιρετική απόδοση καθαρισμού και καταλύτη τριών{4}τρόπων. Η αλουμίνα είναι ο πιο ευρέως χρησιμοποιούμενος φορέας επικάλυψης καταλύτη, αλλά το πρόβλημα θερμικής σταθερότητας του Al2O3 ταλαιπωρεί από καιρό τους ανθρώπους, ειδικά σε περιβάλλοντα αντίδρασης με υψηλές θερμοκρασίες και παρουσία υδρατμών, -Το Al2O3 είναι επιρρεπές σε μετασχηματισμό φάσης και πυροσυσσωμάτωση, που οδηγεί στην ανάπτυξη σταθερής {{11}φάσης, και αποτέλεσμα σημαντικής μείωσης της επιφάνειας απενεργοποίηση φορτωμένων καταλυτών. Επομένως, η έρευνα και η ανάπτυξη υλικών μεταφοράς αλουμίνας με υψηλή-σταθερότητα θερμοκρασίας και μεγάλη ειδική επιφάνεια είναι βασικές τεχνολογίες για την ανάπτυξη μιας νέας γενιάς καταλυτών καθαρισμού καυσαερίων αυτοκινήτων. Επιπλέον, η Κίνα είναι σημαντικός παραγωγός σπάνιων γαιών και πώς να αναπτύξει τα πλεονεκτήματά της στις σπάνιες γαίες και να αναπτύξει καταλύτες καθαρισμού καυσαερίων αυτοκινήτων με βάση τις σπάνιες γαίες τριών-τρόπων με καλύτερες επιδόσεις, αντικαθιστώντας τους καταλύτες πολύτιμων μετάλλων με φθηνές σπάνιες γαίες, θα είναι μια νέα κατεύθυνση εξέλιξης για το broadust exhaust catalstive.
Άλλοι καταλύτες επίστρωσης-Τύπος
Εκτός από τον πρώτο τύπο επικάλυψης-καταλύτες τύπου, όπως τρι-καταλυτικοί μετατροπείς για καθαρισμό καυσαερίων αυτοκινήτων, καταλυτικοί μετατροπείς τεσσάρων κατευθύνσεων για καθαρισμό καυσαερίων οχημάτων ντίζελ, καταλυτικοί μετατροπείς για αποθείωση και απονιτροποίηση βιομηχανικών καυσαερίων, και δεύτερος τύπος καταλύτη VOC. καταλύτες τύπου επίστρωσης-όπως καταλύτες Pt πολύτιμων μετάλλων επικαλυμμένοι σε ηλεκτρόδια κυψελών καυσίμου και επιστρώσεις νανο-αλουμίνας σε διαχωριστές μπαταριών λιθίου. Επειδή οι φορείς για τους καταλύτες Pt που χρησιμοποιούνται στις κυψέλες καυσίμου είναι κυρίως υλικά με βάση τον άνθρακα-όπως ο γραφίτης και τα υλικά νανο-αλουμίνας επικαλυμμένα με διαχωριστές μπαταριών ιόντων λιθίου-.