天然埃洛石纳米管杂化铈锆固溶体的微结构与性能调控

CeO2-ZrO2 (CZ) is the typical three way catalyst (TWC) used in the automobile exhausts cleaning field. Aiming at such shortcomings of CZ as insufficient reduction of inner parts and easy sintering in the real applications, this proposal introduces halloysite with high surface area and hollow nanotubes (HNTs) into CZ to provide gas transportation tunnles and handicape sintering. A novel halloysite / CZ hybrid mineral material with multi-level porosity can be prepared through a evaporation induced self-assembly method. The catalytic performances can be promoted and lifetime of the products can be elongated through composition adjustment and parameter optimizing. The proposal will systematically resaerch the surface properties and structural stability of HNTs, search for the method to control dispersion of halloysite, study the effect of synthesis conditions and ratio between ceria and zirconia on morphology, structure and property of the product, then optimiz the composition of HNTs and CZ solid solutions. The status, microstructure and boundary between the mineral and CZ solid solution in the hybrided TWC materials will also be studied. Through which the synergy affection of mineral and functional material can be made clear, and the technique to control properties of the products can be obtained. Results of the this project will provide kind of technique for controlled preparation and performance adjusting of ceria based high performance TWC material, and may provide a new idea to the crossing and dissolving in knowledge of minerals and materials.

CeO2-ZrO2( CZ )固溶体是汽车尾气净化用三效催化剂(TWC)的关键储氧材料。本项目针对CZ材料使用时存在内部还原程度不高、容易烧结等难题，引入比表面积大、具有天然中空纳米管形貌的埃洛石矿物为CZ固溶体提供气体通道并阻碍高温烧结，采用溶剂挥发诱导自组装法制备埃洛石/CZ多级孔固溶体杂化材料，通过组份调节和工艺优化，实现催化剂性能和寿命的提高。系统研究矿物的表面特性与结构稳定性规律，掌握调控矿物分散特性的方法，查明制备工艺对杂化材料形貌与结构的影响规律，探索铈锆配比对材料结构、性能的影响，探明埃洛石与CZ组分的合适比例。通过系统分析矿物与CZ的微结构与界面状态特点，揭示矿物与材料的协同增效效应，进而掌握埃洛石/CZ新型杂化矿物材料的性能调节机理。本项目的研究成果可为铈基高性能TWC材料的可控制备与性能调控提供新技术，为矿物与材料学科的交叉融合提供新思路。

项目基于天然管状矿物埃洛石(Hal)的特殊管状形貌与稳定的晶体结构属性，将其与铈锆固溶体(CZ)复合，制备新型埃洛石杂化催化材料，研究矿物与材料的物理化学性质及界面状态及其调控规律，解析矿物基催化材料的性能控制机理。项目的主要创新点与结论如下：.1..解析了埃洛石在受热状态下的结构与形貌转变规律。发现埃洛石在高达1100℃煅烧后仍能保持管状形貌的特殊优势；.2..优化了合成Hal/CZ矿物杂化材料的工艺技术条件及方法。查明了EISA法制备矿物杂化材料的技术原理与工艺参数；.3..明确了满足矿物杂化材料应用要求的成分比例范围。CeO2含量约为50%、埃洛石体积含量为10~30%时可以获得优化的储氧容量以及比表面积；.4..发现对矿物的接枝改性以及表面结构调整是形成矿物/材料结合界面的有效方法。筛选了合适的矿物表面改性剂，查明其对产品的影响规律。发现对埃洛石的适当扩孔、并以硅烷基改性有利于矿物与功能材料的杂化，以巯基改性则会影响产品的使用寿命。.5..探明了矿物与CZ材料的结合与分布状态对材料性能的决定作用。矿物与CZ界面通过Si-O-Ce(Zr)键结合，CZ均匀的分布于矿物表面，矿物则穿插于CZ内部。.6..初步掌握了矿物表面选择性、可控负载的方法及原理。成功在扩管后的埃洛石腔内组装了Ag、BaCO3、Fe3O4等功能纳米粒子。.项目研究期间，以第一作者和通讯作者在Mater. Des.、Sci. Rep.等发表SCI论文16篇，EI论文1篇，申请发明专利3项。撰写Elsevier出版的英文专著《Nanosized Tubular Clay Minerals》中Physic-chemical Properties of Halloysite 1章4万字，撰写《中国大百科全书》中矿物材料词条16条，撰写《选矿年评》之矿物材料制备1章7万字。合作在Adv. Funct. Mater.等发表SCI论文20篇。通过项目的研究，系统掌握了埃洛石用于高温应用的基础科学知识，开发了具有优化性能的新型催化功能材料。研究成果开拓了矿物的新型应用途径，探索了矿物的选择性负载技术，掌握了矿物的界面调控与性能调节技术及规律。项目完成了拟定的研究任务和目标。