钙钛矿复合金属氧化物纳米线阵列用于催化消除柴油车尾气中碳烟颗粒的研究

Diesel engine possesses the higher efficiency of energy conversion, and the lesser emissions of greenhouse gas CO2. However, the diesel exhaust contains a large amounts of soot particles. The diesel soot may induce the formation of the smog, which has great damage to the human health and the atmospheric environment. The catalytic combustion technique combined with diesel particle filters (CDPF) is regarded as an efficient after-treatment for soot elimination. The key is to develop practical and efficient diesel soot combustion catalysts. This project will adopt a hydrothermal method to synthesize perovskite mixed metal oxide LaCoO3 nanowire arrays, and adopt in situ exsolution methods to synthesize Co species socketed on deficient perovskite mixed metal oxide, i. e. CoxOy/La0.9Co1-xO3, for diesel soot catalysis oxidation. The different diameter of LaCoO3 nanowire and the cooperation between Co species nanoparticle and the perovskite mixed metal oxide will be studied in details to understand their effect on microscopic active oxygen species and macroscopic soot combustion activity. We aim to reveal the structure-performance relationship for the catalysts, and elucidate the dynamics and reaction mechanism for soot combustion. Our research will open up a new avenue for developing practical soot combustion catalysts with low cost and high performance.

柴油发动机相比于汽油发动机具有较高的能量转化率、较低的温室气体CO2排放量，因此得到越来越广泛的应用。但是柴油车尾气中含有大量燃烧不完全产生的碳烟颗粒（soot），是近年来引发“雾霾”天气的主要元凶。氧化型催化剂与颗粒捕集器（DPF）相结合的CDPF技术是目前最有效的碳烟消除技术，研究的重点是成本较低、高效稳定的soot氧化催化剂的开发。本项目通过水热法制备LaCoO3纳米线阵列以及结合原位溶出策略制备富含均匀分散钴物种的CoxOy/La0.9Co1-xO3纳米线阵列，用于柴油车尾气中soot的催化消除。系统考察LaCoO3纳米线不同的直径以及均匀分散钴物种与La0.9Co1-xO3纳米线之间的相互作用等与微观活化传递氧物种及宏观soot消除性能之间的关联性，建立催化剂的构-效关系，进而加深对于soot催化燃烧机理和动力学的理解。为高效实用的soot消除催化剂的开发提供理论依据。

柴油发动机相比于汽油发动机具有较高的能量转化率、较低的温室气体CO2排放量，因此得到越来越广泛的应用。但是柴油车尾气中含有大量燃烧不完全产生的碳烟颗粒（soot），是近年来引发“雾霾”天气的主要元凶。氧化型催化剂与颗粒捕集器（DPF）相结合的CDPF技术是目前最有效的碳烟消除技术，研究的重点是成本较低、高效稳定的soot氧化催化剂的开发。针对Co3O4 的Fd3 ̅m对称尖晶石（AB2O4）结构，可以通过定向金属离子交换策略调整四面体配位Co2+和八面体配位Co3+的几何结构和电子结构，从而调节催化活性。通过合理取代A位离子得到的二元钴氧化物具有更多的表面氧空位、更高的晶格氧迁移率和活化气相氧的能力。因此我们设计合成了不同A位取代的Co基尖晶石纳米阵列催化剂，并用于催化soot消除。其中Mn取代Co形成的MnCo2O4纳米线催化剂因具有较多的氧缺陷和较高氧化能力表现出较优的催化活性及良好的稳定性。催化soot燃烧的活性物种主要是催化剂表面的吸附氧物种，尤其是在低温区，弱吸附过氧物种和超氧物种在soot起燃过程中起到至关重要的作用。因此，在催化剂表面暴露或吸附更多的低温活性氧物种是降低碳烟起燃温度的最有效途径之一。而贵金属银作为一种低成本、高活性的氧化剂，对气态氧分子具有极高的吸附和活化能力。此外，可以通过Ag与载体之间的强相互作用来提高催化剂的固有活性。鉴于此，我们设计合成了Ag改性的NiCo2O4和FeCo2O4纳米材料催化剂，并用于催化soot消除。Ag与NiCo2O4和FeCo2O4之间的相互作用导致NiCo2O4和FeCo2O4出现晶格畸变，削弱了Co-O键，提高了催化剂的氧化能力，增加了活性氧物种数量，从而提高了催化soot氧化的性能。项目系统考察了不同的A位取代、FeCo2O4的不同形貌及Ag与NiCo2O4和FeCo2O4之间的相互作用等与微观活化传递氧物种及宏观soot消除性能之间的关联性，建立了催化剂的构-效关系，进而加深对于soot催化燃烧机理和动力学的理解。为高效实用的soot消除催化剂的开发提供有效的实验基础和理论依据。