三维有序大孔-介孔钛硅复合载体担载钾掺杂过渡金属氧化物催化剂制备及催化燃烧炭烟颗粒性能研究

Soot particle released from diesel engine emission is one of the prime reasons for city haze. Therefore, effective elimination of soot particles has become urgent and necessary work, and it has important significance for protection of environment and development of economy. In this project, a series of novel catalysts, i.e. three-dimensional ordered macroporous-mesoporous (3DOM-m) Ti-Si composite oxides supported potassium doped transition metal oxides nanoparticles, are synthesized by simple and novel methods. Simultaneous improvements for contact of soot particles and catalysts and activation of gas molecules are to be achieved; the influence factors and rulers of chemical interaction in the preparation process are to be investigated; new preparation methods for 3DOM-m catalysts are to be developed. Multiple characterization methods are adopted to study structure and physicochemical properties of as-prepared catalysts and to investigate the structure-function relationship between pore structure of catalysts and their catalytic performances. Especially, the utilization of the combined in-situ Raman-IR-MS characterization methods is contributed to capture and determinate the possible active species under the in-situ and dynamic conditions. By investigating the possible active sites and structures of active components in the process of catalytic reaction, the inactivation and reaction mechanisms for soot combustion on the as-prepared catalysts are to be established. The implementation of this project can offer theoretical directions and scientific basis to further design and develop soot combustion catalysts with high activity, high stability and low cost.

柴油机尾气排放的炭烟颗粒是城市雾霾天气的主要原因之一，有效地开展消除炭烟颗粒的研究已成为一项迫在眉睫的工作，对保护环境和发展经济有重要的意义。本项目拟采取简单新颖的方法制备三维有序大孔-介孔钛硅复合氧化物担载钾掺杂过渡金属氧化物纳米颗粒的新型催化剂体系，实现促进炭烟颗粒与催化剂的接触和气体小分子活化的目标，研究制备过程的影响因素和化学作用规律，发展三维有序大孔-介孔结构催化剂的制备新方法。利用多种表征手段对所制备催化剂进行结构和物化性能表征，探讨催化剂孔结构与催化性能之间的构效关系。特别是利用原位Raman-IR-MS等联用表征技术，实现原位、动态条件下捕捉和测定反应中可能存在的活性物种，研究活性组分在催化反应中的可能活性位及其结构，探讨该类催化剂催化燃烧炭烟颗粒的失活机制及反应机理。本项目的实施将为进一步设计开发高活性、高稳定性及低成本的催化燃烧炭烟颗粒催化剂提供理论指导和科学依据。

柴油车尾气炭烟颗粒物的排放已成为我国城市雾霾天气的最主要源头之一。柴油车尾气炭烟颗粒物的减排和治理已经成为了一个迫在眉睫和极具挑战性的课题。目前，柴油车尾气炭烟颗粒的消除催化剂存在气体小分子活化难、催化剂稳定性差、成本偏高和催化机理不清等问题，针对上述问题，本项目成功制备了三维有序大孔-介孔SiO2/TixSi1-xO2载体担载钾（和铈）掺杂过渡金属氧化物（MnOx）催化剂，实现了从微观角度深入认识所制备的催化剂的合成原理及性能调变机制，探讨和总结催化剂在柴油车尾气净化反应中的催化作用规律；提出制备高活性、高选择性、高稳定性、强抗硫和水及低成本催化剂的方法和策略，并提出一系列具有创新性的研究思路和方法，为柴油车尾气炭烟颗粒的消除催化剂的实际应用提供一定的指导。.本项目具体开展了以下研究工作：1）利用软硬模板结合的方法，考察不同制备条件成功制备出同时具有有序大孔和有序介孔结构的SiO2载体；2）利用等体积浸渍法成功制备了3DOM-m SiO2担载不同锰铈比例和负载量的催化剂，活性测试表明催化剂不仅具有较好的活性还同时具有较好的稳定性，循环5次后催化剂催化燃烧炭烟的T10、T50和T90值分别为278、346和384℃左右，同时对催化剂的反应机理进行了详细的研究；3）利用软硬模板结合的方法，成功制备不同钛硅比例3DOM-m TixSi1-xO2载体，当钛硅的比例为7:3时所制备的钛硅复合氧化物载体不仅具有大-介孔结构且具有最好的催化活性；4）成功制备了系列不同负载量和煅烧温度的KMnOx/3DOM-m Ti0.7Si0.3O2催化剂，其负载量和煅烧温度为40%和450度时， KMnOx/3DOM-m Ti0.7Si0.3O2催化剂具有最佳的催化活性，炭烟燃烧温度的T10、T50分别降低到了288和333 oC。目前，已在国内外著名学术期刊上发表8篇论文，申请专利5项，授权1项，参加国际/国内学术会议15次，项目负责人作口头报告13次，联合培养已毕业硕士研究生2名，联合培养在读博士研究生2名，培养在读硕士研究生2名。本项目研究工作的开展对研发高活性、高稳定性和低成本的柴油车尾气排放颗粒燃烧催化剂的研发和应用具有十分重要的实际意义和应用前景。