柴油车尾气排放PM2.5氧化催化剂在过滤器表面的涂覆规律及发动机台架性能研究

The soot particles emitted from diesel-powered automobile exhaust are one of the main sources of the urban atmospheric PM2.5. The after-treatment techniques for the purification of exhaust gases from automotive vehicles can reach the goal to greatly reduce the formation of PM2.5 from the "source". The key factor of CRT technique in the research process from foundation to application is how to efficiently carry out the catalyst coatings with high activity and stability on the surface of diesel particulate filter (DPF). On the basis of our previous research works, the oxides (nanolayers and three-dimensional ordered macroporous structure), which possess the strong contacting capacity for the reactants, are selected as support coating of catalysts in this research work. And nanopartilces (metal or/and oxide) are used as the active components. Marcoporous oxides are coated on the surface of DPF by the colloidal crystal template method. The active components are coated on the surface of oxides by the in-situ coating method just developed in our lab. The effects and controlling rules of the thickness, structure, mechanical strength and bonding degree with DPF of catalyst coatings are in-depth discussed. And the coating technology of monolithic catalysts is obtained. The effect of engine parameters and diesel quality on the removal efficiency for diesel PM2.5 is systematically studied in engine bench. It will provide the theoretical and practical supporting for the further research and development of the monolithic catalysts with high activity and stability for catalytic elimination of diesel PM2.5.

柴油车排放的炭烟颗粒是城市大气PM2.5的主要来源之一，催化净化技术能够实现从"源头"上大幅度减少PM2.5的形成，该技术在从基础研究到应用研究过程中的关键问题是如何实现高活性、高稳定性催化剂在柴油颗粒过滤器（DPF）表面的有效涂覆。在前期研究的基础之上，本研究拟选择对反应物具有良好接触性能的氧化物(纳米薄层或三维有序大孔结构)作为催化剂涂层，以金属或/和氧化物纳米颗粒作为涂层活性组分。利用"胶体晶体模板法"实现大孔氧化物在DPF表面的涂覆，并利用自主研发的"原位涂覆法"实现活性组分在氧化物涂层上的可控涂覆。深入研究DPF表面催化剂涂层的厚度、结构、机械强度以及与DPF结合程度等的可控涂覆工艺条件，形成相应的整体式催化剂涂覆技术；在柴油机台架上，系统考察发动机动力参数和柴油品质对PM2.5氧化消除效率的影响。为进一步研制高性能的柴油车排放PM2.5催化消除整体式催化剂提供理论依据和技术。

柴油车尾气中的PM2.5的主要组成是未完全燃烧的炭烟颗粒，在柴油颗粒过滤器（DPF）表面涂覆高性能的炭烟燃烧催化剂，能够从源头上减少PM2.5。项目组在以下几个方面进行了深入的研究并取得了系列创新研究结果：（1）自主开发的制备装置和方法实现了氧化物在 DPF 表面的可控合成，对Al2O3、改性Al2O3进行了综合考察，得到具有最大涂覆量（8.39％）和比表面积（95.7 m2/g）的Al2O3-ZrO2涂层；综合考察PMMA 微球模板与前驱体材料制备有序大孔材料过程中的影响因素，在DPF表面构筑3DOM钙钛矿涂层，3DOM LaCoO3/ɤ-Al2O3/cordierite的起燃温度T10可降为200.6℃。（2）实现了贵金属或/和氧化物活性组分在涂层表面的可控合成，制备了DPF担载贵金属Pd，Pt以及过渡金属，Al2O3涂覆PDF担载贵金属Pd，Pt以及过渡金属等催化剂，其中， Pt/ɤ-Al2O3/cordierite 和Co-CeO2 /ɤ-Al2O3/cordierite的T10分别为225.6， 181.2 ℃。新型3DOM Ptn@CeO2-x/CeO2和3DOM Au/ 20%Ce /Al2O3 催化剂涂层，T10分别为284和267℃，两类新型催化剂有利于降低贵金属的用量。（3）对DPF催化剂涂层进行了系统性的研究，涂层为活性组分提供了更多的接触面积，同时抑制催化剂在高温相变，La、Si改性Al2O3经过高温焙烧后比表面积高于150 m2/g；15%固含量的涂层前驱体在超声辅助的条件下涂覆DPF 2-3次能够获得表面平整，比表面积充足的优良抗脱附涂层。La0.75K0.25MnO3/Al2O3/DPF活性优于其他催化剂，T10为349 ℃。（4）完成了转速为2000 和2400 rpm条件下组合台架实验，实现PM去除效率>90%。（5）研究了在无NOx条件下Ce物种掺杂的钴基钙钛矿氧化物的反应机理。确定了活性氧物种的传递和金属离子的还原氧化过程在这一过程中的重要作用。通过理论计算，Pd-CeO2 界面效应的化学本质可以归因于界面处的结构变形和二氧化铈载体与 Pd 纳米棒之间电子转移。发表研究论文11篇，申请专利2项。本项目研究工作的开展对研发高活性、高稳定性、高贵金属利用率的机动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。