CeO2纳米棒/管阵列制备及其多效催化性能研究

For the present, CeO2 nano-particles are wide used in the treatment of automobile exhaust as assistant catalyst, but it still cannot meet the requirement for the treatment of waste exhaust. 1-D nano-arrays is becoming the focus of the study for its high specific surface area and activity and it benefits for the dispersion of noble metal and improving the catalysis capacity. In this project, CeO2 nanorod and nanotube are investigated in details. Especially the interaction of the preparation process and three-way catalysts capacity, desulfuration and denitration are studied. First, CeO2 nanorod arrays are synthesized by hydrothermal method. The kinds of basement, the surface modification of the basement, and the habits of growing are also studied. Secondly, CeO2 nanotube arrays are obtained by hydrothermal-plate method. The process condition, including the kinds of plate, the modification of plate, the pH value of the solution, are investigated to obtain the fine synthetic process. Finally, as-prepared nano-arrays are loaded on the cordierite and active semi-coke by infusion process and in situ synthesis method. The mechanism of catalysis reactions and the kenetics of the reduction process are investigated in detail.

本课题针对我国在汽车尾气治理和工业烟气处理中存在的问题：现有催化剂难以满足人们日益增长的环保要求、成本较高等，开展高比表面积和活性的一维CeO2纳米阵列材料的研究，进一步提高催化剂的催化性能，进而降低成本，并开发出新型工业烟气处理材料。具体工作如下：以一维CeO2纳米棒/纳米管阵列为研究对象，研究制备工艺与汽车尾气三效催化性能、燃煤烟道气脱硫脱硝性能之间的耦合作用机制。首先，水热法合成CeO2纳米棒阵列，研究基底种类、基底表面修饰、生长习性等对纳米棒阵列的形貌、分布、组成、结构的影响规律；其次，水热-模板法制备CeO纳米管阵列，研究模板种类、模板改性、前驱液和反应溶液浓度与pH值对纳米管阵列的影响作用规律,实现纳米阵列的可控制备；最后，将纳米阵列负载于堇青石和活性半焦上合成复合催化剂，研究其催化还原反应作用机理以及还原反应过程动力学。

本项目针对我国在汽车尾气治理和燃煤电厂烟气治理中存在的问题，开展一维纳米阵列材料制备以及纳米阵列材料负载堇青石、半焦、活性炭等基底的研究与性能检测工作，充分利用一维有序纳米棒阵列以及纳米管阵列，良好的导电、导热性能、较高的比表面积，已期望在气体净化领域开展更广阔的应用研究工作。. 本项目首先实现了ITO基底上ZnO纳米棒/管阵列的可控合成，基于分子动力学模拟以及ZnO自身溶解机制研究，利用ZnO纳米棒为模板的自腐蚀机制，合成出了ZnO纳米管阵列结构。进一步将ZnO拓展为模板，应用到其他一维纳米材料的合成设计与优化领域。1）以ZnO纳米棒为模板合成CeO2纳米管阵列，实现了不同密度的CeO2纳米管阵列的可控合成。通过引入堇青石蜂窝载体，成功将CeO2纳米管直接合成在堇青石孔道内表面，并进行了汽车尾气三效催化性能研究。结果表明，CeO2纳米管结构相比颗粒薄膜表现出更好的低温三效催化性能。2）以ZnO纳米棒为模板合成CoO-ZnO复合材料纳米管/纳米柱结构。系统研究了不同硝酸钴溶液浓度对复合材料结构形貌的影响，将合成的管状及片层柱状结构作为锂电池负极材料，进行了锂离子电池的性能研究。结果显示，片层柱状结构表现出良好的循环稳定性和较高的储锂容量。3）以半焦、活性半焦、以及活性炭为基底，采用水热法和模板法制备烟气净化材料，通过模板水热合成的氧化铈纳米管阵列材料微观结构、物理化学性质、脱硫性能，获得了良好的脱硫性能，而且，基底材料从活性炭到半焦，可大幅降低脱硫剂的成本，同时半焦又具有很好的强度，这为干法烟气净化技术提供了实验和理论支撑。4）以此为基础，通过对活性半焦负载锰氧化物纳米结构材料及其烟气低温SCR脱硝性能和机理研究，获得了MnOx 纳米材料负载活性半焦（MnOx NW/ASC）的新型脱硝剂，在NH3选择性催化还原NO的表现了良好的催化性能。. 通过本项目的研究，为ZnO模板法应用于新型纳米阵列材料的制备、纳米材料负载活性半焦新型脱硫剂和脱硝剂材料的化应用提供了依据，应用前景广阔。