类水滑石复合氧化物对柴油车尾气的四效催化净化机制

针对柴油车碳烟(PM)和氮氧化物(NOx)机内净化存在矛盾关系的难题，利用新型纳米复合材料-类水滑石化合物(HTLCs)的特殊层结构、组成及性能的可控性，制备高活性的多孔复合氧化物，使PM-NOx-HC-CO在同一催化床层上互为氧化还原反应而同时去除。项目着力通过HTLCs中M(II)和M(III)的同晶取代调变催化剂的氧化还原性、酸碱性及孔结构等性质，以形成氧化还原协同作用和酸碱协同作用，从内因(活性组元)和外因(催化剂与PM的接触)两方面提高催化剂的活性。本项目立足于材料组成优化、活性提高和微观反应机理探索；主要研究金属取代对PM催化燃烧和NOx还原性能的影响及它们之间的相互作用；建立起催化剂表面组成、体相结构、氧化还原性和酸碱性等与活性的关联；通过反应中间物种的原位研究，结合宏观反应动力学，揭示污染物同时去除的四效协调作用机制，为设计新一代高效柴油车四效催化剂提供科学依据。

柴油车排放的主要污染物是碳烟颗粒（Soot Particulate）、氮氧化物（NOx）、一氧化碳（CO）和碳氢化合物（HC），是造成我国灰霾天气频发的重要污染物来源，开发适应我国国情的尾气后处理技术-四效催化剂具有重要的研究价值和社会意义。本项目以结构开放的类水滑石纳米复合材料为前驱物，通过过渡金属同晶取代（CuMgAlO和尖晶石型CoMnAlO催化剂）、稀土金属改性（CuMgAlLaO和CuMgAlCeO催化剂）、碱金属/贵金属负载（K/MgAlO、Pd/MgAlO和 Pd-K/MgAlO催化剂）等手段获得了活性组分高分散的系列复合氧化物多孔材料，形成了氧化还原协同和酸碱协同作用，实现了催化活性的调变。模拟排气气氛，系统考察了催化剂对碳烟燃烧、NOx存储还原、碳烟和NOx同时消除、CO和HC氧化等柴油车尾气四效催化净化效果。四种污染物可在催化作用下互为氧化还原剂实现同时去除，碳烟燃烧起燃温度可降至240-300℃，NOx最大去除率为50-60%左右，CO催化氧化的起燃温度约为100℃左右，C3H6氧化的的起燃温度约为200-250℃左右。深入研究了催化剂的晶相结构、形貌特征、孔结构、氧化还原性、酸碱性等微观特性，建立了其与催化活性之间的内在关联的规律性。运用原位表征手段和程序升温技术确认了碳烟燃烧和NOx去除的反应中间物种（主要为羧基功能团、亚硝酸盐和烯酮物种等），主要利用原位吸附-反应-原位透射红外装置，在程序升温过程中催化剂和碳烟混合物自撑片上碳烟不断消耗而使透光性得以改善，进而获得了不同条件下碳烟燃烧反应中间物种的红外光谱，这一关键技术解决了碳烟黑色固体红外信号弱的难题，对于解释污染物催化作用机理起到了支撑作用；结合宏观反应动力学，发现了污染物同时去除过程中存在“氧溢流”和“氧化还原”的两种催化作用机制。.