稀土在汽车尾气净化催化剂中应用现状[1]

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1、稀土在汽车尾气净化催化剂中的应用现状[1]2006年25卷第3期稀有金属快报13稀土在汽车尾气净化催化剂中的应用现状蔡明昌,王慧,税安泽,曾令可(华南理工大学,广东广州510640)摘要:详细叙述了用稀土部分替代汽车尾气净化催化剂中铂、铑等贵金属的研究和应用情况。主要包括:①稀土在汽车尾气净化催化剂中应用优势;②稀土催化剂净化汽车尾气中几种主要有害气体的作用机理;③我国从事尾气净化稀土催化剂研究、开发的主要单位和他们各自的研究重点及取得的成果;④稀土三元催化剂的组成、特点及富氧条件下分解NOx的作用机理;⑤纳米稀土催化剂

2、的开发与展望,指出:当纳米稀土催化剂研制成功,可望实现不使用贵金属达到与贵金属催化剂同样的净化效果;⑥稀土催化剂的应用前景。预料,在我国随着汽车保有量的迅速增加,尾气净化催化剂将成为稀土消费的主要领域之一。关键词:汽车尾气净化;稀土;稀土催化剂;催化机理中图法分类号:TG146.4+5文献标识码:A文章编号:1008-5939(2006)013-05目前,世界汽车保有量已达6.5亿辆。其中我国汽车保有量已超过2000万辆,并且产销量每年以20%～30%的速度递增。预计到2010年,我国汽车的保有量将超过4500万辆。因此

3、,实现发动机高效、低污染的燃烧,控制汽车尾气中有害气体排放量,已成为能源与环境研究中的一个重大课题。汽车动力以燃油为主,如果油料燃烧不完全,尾气会含有大量的对人体有害气体,如一氧化碳(CO)碳氢化合物(HC)和氮氧化物(NOx)等。采用机前燃油电喷及机后安装催化转化装置是治理汽车尾气污染的手段之一。国内外广泛应用的汽车尾气净化催化剂主要由铂和铑等贵金属组成。同廉价的稀土取代部分贵金属是汽车尾气催化剂新的发展方向,有着广阔的发展前景。收稿日期:2005-11-281稀土在汽车尾气净化催化中的应用优势汽车尾气净化催化剂中贵金

4、属铂、铑的消耗占世界总供应量相当大的比例。以铑为例,汽车催化剂用铑占到世界总供应量的80%左右,使铑的供应持续紧张。为了降低汽车尾气转化催化剂的成本,缓解贵金属供应的紧张局面,人们开展了在汽车尾气转化催化剂中添加稀土元素取代部分贵金属的研究工作,并取得了一定的成效。由于稀土氧化物具有氧化和还原的双重特性,能在还原气氛中供氧,在氧化气氛中耗氧。因此,应用稀土代替部分贵金属制成催化剂,不仅成本低,而且能获得满意的净化效果。稀土在汽车尾气净化催作者简介:蔡明昌,男,1983年士,学士,华南理工大学材料学院,广东广州510640

5、,电话:020-87114617,E-mail:wanghui@scut.edu.cn综合评述14化剂中应用的优势主要表现在:①提高催化剂载体的机械强度;②具有独特的储氧功能,可使CO转化成CO2;③具有变价特性,可以提高催化剂活性;④改善催化剂抗铅、硫中毒的能力;⑤提高催化剂的使用寿命;⑥增加催化剂的热稳定性;⑦具有三元催化剂的性能。总之,尾气净化催化剂中加入稀土,以助催化剂的形式增加了催化活性,使催化剂的氧化还原反应能够顺利进行[2],节约了贵金属。CeO2还在贵金属气氛中起稳定作用,以保持催化剂较高的催化活性。2稀

6、土催化剂的催化机理由于稀土元素具有特殊的电子结构,使其具有特殊的物理和化学性能,特别是具有特殊的光、电、磁和催化性能。汽车尾气净化催化剂中添加的稀土元素主要有:Ce,Pr和La等,以其氧化物混合物的形式加入。其中Ce2O3是关键成分。2.1稀土催化剂净化CO和HC的机理在稀土催化剂对CO和CO2催化氧化的研究中,根据测定的电导率确定了氧化物中晶格氧离子参与反应,其反应机理如下[3]:CO(气)+(稀土催化剂)→CO(吸附态)CO(吸附态)+O2-→CO2(气)+□2CO2(吸附态)→CO2(气)+(稀土催化剂)O2(气)

7、+2□2-→2O2式中,O2-表示晶格氧离子;□2-表示表层阴离子空缺。对钙钛矿型(ABO3,A代表稀土金属离子;B代表过渡金属离子)或在其中掺杂其它元素而形成的缺陷结构的稀土催化剂氧化CO的机理也进行了广泛研究。得到的基本结论是B离子吸附气态氧(吸附态是O-或O2-),CO和CO2在晶格氧上(CO为吸附态CO+),反应通过CO吸附态和气态吸附氧进行[5,6]。据资料介绍,在多数情况下稀土金属离子的电子构型可影响催化剂的活性,当电子构型为4f1和4f8时催化活性最佳,当电子构型为4f0,4f7,4f14时催化活性最差。稀

8、土催化剂净化HC的机理与净化CO的机理Vol.25,No.3,2006类似,在此不再赘述。2.2稀土催化剂净化NOx的机理拥有可变非化学计量氧缺陷结构的钙钛矿型氧化物具备贮/放氧的能力,而这正是NO的分解及其选择催化还原反应所必需的。在La0.8Sr0.2CoO3和La0.4Sr0.6Mn0.8Ni0.2O3上,NO