柴油车尾气催化净化过程中的重要基础化学问题研究

柴油车尾气净化催化剂和组合催化技术的研究是目前环境催化研究领域的热门、难点和极富挑战性的课题之一，有效地开展柴油车尾气污染治理的研究已成为一项迫在眉睫的工作，本研究致力于深入系统地研究探讨柴油车尾气催化净化过程中的重要基础化学问题。 研制柴油车尾气中碳颗粒氧化大孔氧化物基新型高效催化剂，认识大孔氧化物催化剂的制备规律；设计开发低温高活性、高选择性的廉价乙炔还原NOx的高效催化剂，揭示乙炔－SCR反应过程催化作用规律；利用具有自主知识产权的"超声膜扩散法"制备具有壳核结构的纳米氧化物/贵金属催化剂，从而提高催化剂的低温活性、高温热稳定性和抗硫中毒性能，并探讨制备过程的影响因素和化学作用规律，发展纳米高分散催化剂制备方法。特别是利用原位紫外激光拉曼、原位红外和原位紫外－可见等技术在原位和动态条件下研究催化剂上碳黑氧化和NOx还原的催化作用机理，为进一步设计高效柴油车尾气净化催化剂提供科学依据。

PM2.5的大幅度减排和治理是实现我国化石能源高效洁净利用、保障人民生命健康安全的重大需求。机动车(特别是柴油车)尾气排放的碳颗粒物是大气中PM2.5的主要来源之一，其危害极大，有效地开展柴油车尾气污染治理的研究已成为一项迫在眉睫的工作。本项目致力于深入系统地研究柴油车尾气催化净化过程相关的重要基础化学问题，对柴油车尾气排放的颗粒物(PM)、CO、烃类(HC)和氮氧化物(NOx)四种主要污染物净化催化剂的设计与制备规律及其催化净化作用的科学认识与组合作用规律等都进行了深入探讨。. 以“超声膜扩散还原法”为基础，从贵金属纳米粒子溶胶出发制备了系列贵(双)金属纳米催化剂，实现了贵金属纳米催化剂的可控合成和公斤级制备，揭示了贵金属纳米粒子形貌、粒度、组成、结构和分布与机动车尾气催化净化反应之间关系，探讨了AFM研究2D模型催化剂的方法，为解决贵金属催化剂热稳定性和贵金属减量的问题提供了数据支持和理论基础。发展了CMCCT方法，成功合成了具有相互贯通孔道结构3DOM钴基钙钛矿复合氧化物催化剂，这些廉价氧化物对PM燃烧具有很高的催化活性。. 发明了“气膜辅助还原法”， 设计并研制出了三维有序大孔复合氧化物担载金的新型催化剂，并首先将其应用于固体颗粒物质的催化氧化反应中，在松散接触条件下PM在3DOMAu0.04/LaFeO3催化剂上氧化的起燃温度为228℃，突破了PM起燃温度很难低于250℃的难点，是目前文献报道的活性最高的结果。. 通过XPS和O2-TPD实验获得了不同粒径的金颗粒对氧吸附活化具有不同性能的直接证据，3 nm尺寸的担载Au催化剂对氧的吸附和活化具有最好的性能，从化学角度证实了Au的量子尺寸效应。使用原位红外光谱等原位、动态表征手段深入认识了NOx还原的C2H2-SCR反应，确立了C2H2-SCR反应的重要活性中间物种是硝酸盐和甲酰胺，分子筛催化剂上硝酸盐物种的生成是C2H2-SCR反应的控速步骤。. 在深入认识PM催化氧化、C2H2-SCR和同时消除PM与NOx的反应机理及影响因素的基础上，开展了柴油车尾气污染物排放控制系统集成技术研究。柴油车尾气催化后处理系统台架实验结果表明，本项目设计的组合四效催化剂具有较好的四效净化性能，PM、CO、烃类在不同的工况下达到环境友好型国V标准，NOx的排放量达到国IV标准。