钙钛矿表面氧物种可控调变及其在碳烟和NOx催化净化作用机理研究

The four-way catalytic technology is one of the indispensable and most efficient technologies for the treatment of the exhaust gases from diesel engines. The study and development of efficient catalysts for simultaneous removal of soot and NOx in diesel exhaust are the key in the four-way catalytic technology. . In this project, the LaCoO3 perovskite-type oxides were studied from the following directions: (1) The study of controllable adjustability of surface oxygen species. Through different alkali metal and transition metal elements, which partial substitution of the lattice of LaCoO3 perovskite-type oxides, the structure of the oxides were changed and the surface oxygen species were modified. The generation process, types, quantity, the migration patterns and evolutive principles of the surface oxygen species were studied. (2) The catalytic reaction mechanism of surface oxygen species in th simultaneous removal of soot and NOx. In the process of the simultaneous removal of soot and NOx in diesel exhaust, the mechanism of surface oxygen species to promote the catalytic reaction were studied. The regulation of surface oxygen species’ controllable adjustability were explored and then to solve the bottleneck problem of the development of four-way catalyst.. The results of this study can enrich catalyst application basic theory and provide a scientific basis for designing and developing four-way catalyst. This work will provide critical technical support for diesel exhaust catalytic purification technology.

四效催化技术是解决柴油车尾气污染的重要途径，而同时去除碳烟和NOx催化剂的开发是实现四效催化的关键技术。本项目以LaCoO3钙钛矿复合氧化物为研究对象，主要开展：（1）表面活性氧可控调变规律的研究，通过不同碱金属、过渡金属元素在LaCoO3中不同晶格位的取代，改变其结构来调变催化剂表面活性氧物种，研究其在不同元素取代下表面活性氧种的产生过程、种类、数量及迁移模式，以及在不同条件下的变化规律；（2）表面活性氧在同时去除碳烟和NOx催化反应中的机理研究，在获得表面活性氧调变规律的基础上，通过催化剂在同时去除碳烟和NOx催化反应中的研究，探讨表面活性氧促进其催化反应性能的作用机制，从而获得催化剂的控制与调变规律，解决四效催化剂开发的瓶颈问题。本研究成果可丰富催化剂应用基础理论，为柴油车四效催化剂的设计与开发提供科学依据，为尾气催化净化技术的发展提供关键的技术支撑。

四效催化技术是解决柴油车尾气污染的重要途径，而针对柴油机尾气净化的非贵金属四效催化剂是21世纪最重要的技术之一。为根本上解决柴油机尾气净化问题，目前亟待解决的关键是揭示金属掺杂对调控钙钛矿催化剂结构、性能作用机制，提高其同时去除NOx和碳烟（PM）催化活性。本项目以LaCoO3钙钛矿复合氧化物为研究对象，完成了一系列金属掺杂的钙钛矿催化剂制备、结构表征；分别研究了不同金属A，B位单独掺杂对钙钛矿结构性能改性，筛选最优掺杂金属；A、B位同时掺杂对催化剂结构性能协同作用机制的理论研究，并对催化剂性能调变机制及表面吸附氧形成进行深入表征分析；研究A、B位同时掺杂对钙钛矿催化剂耐久性、结构稳定性和抗硫性能调控，筛选最佳性能实验室配方；基于实验室筛选最佳钙钛矿催化剂配方，开展台架放大试验，分别研究不同涂层、载体、涂覆方法对催化剂去除NO活性影响。主要研究进展与成果：（1）钙钛矿催化剂制备工艺优化，对未来指导合成高性能钙钛矿催化剂提供有价值借鉴；（2）基于最佳制备条件，研究不同金属掺杂对钙钛矿催化剂结构性能调控规律，利用系统表征进一步揭示不同金属掺杂对调控催化剂表面吸附氧及氧空位规律，为后续筛选最优掺杂金属和调变钙钛矿结构、性能设计提供指导；（3）研究不同Sr掺杂量对钙钛矿催化剂结构、性能调变规律，获得金属掺杂对表面吸附氧调控机制与氧缺陷定量描述，提出了催化剂改性优化的设计思路；（4）研究Sr、Fe同时掺杂调变钙钛矿催化剂性能和抗硫能力，进一步揭示金属掺杂性能-抗硫能力关系，为更广泛地发展了低成本耐硫催化剂提供指导；（5）基于实验室筛选的最优钙钛矿催化剂配方，进一步开展台架放大试验，研究不同涂层材料、载体、涂覆方法、涂覆次数、循环使用次数、可重复性对催化剂去除NOx活性影响，得到了一系列最佳试验配方和粉体涂覆方法，这对未来发展移动源尾气四效催化剂提供了宝贵的经验。该项目成果为新一代四效催化技术发展提供了坚实的理论依据与实验基础。. 项目发表SCI收录学术论文13篇，其中在化工、催化方面一流期刊 (Chemical Engineering Science; Industrial & Engineering Chemistry Research; Catalysis Today, 化工学报) 发表研究论文多篇；申请发明专利2项，硕士4人。