Catalitzador de purificació d'escapament d'automòbil
1. Mecanisme d'acció del catalitzador
Els contaminants de l'escapament dels automòbils inclouen principalment monòxid de carboni (CO), hidrocarburs (HC), òxids de nitrogen (NO), diòxid de sofre (SO2) i partícules (compostos de plom, sutge de carboni, etc.). Actualment, hi ha dos mètodes principals per purificar l'escapament d'automòbils: purificació interna i purificació externa. La purificació interna implica canviar l'estructura del motor per afavorir la combustió completa del combustible o per permetre la re-combustió d'alguns gasos d'escapament per reduir les substàncies nocives. La purificació externa utilitza principalment mètodes de purificació catalítica, que impliquen tant reaccions d'oxidació de CO i HC com reaccions de reducció de NO, utilitzant acció catalítica per convertir substàncies nocives a l'escapament en CO, H2O i N2 inofensius. Els mètodes de purificació catalítica que s'utilitzen actualment inclouen l'oxidació catalítica, la reducció catalítica-oxidació i la purificació catalítica-de tres vies. Els catalitzadors-de tres vies s'utilitzen àmpliament a diversos països. El catalitzador de tres-vies consta principalment de tres parts: el substrat del catalitzador, el recobriment actiu i els components actius catalítics. A més, per millorar el rendiment del catalitzador, sovint s'afegeixen petites quantitats d'additius al recobriment actiu i als components actius catalítics, principalment òxids de terres rares i òxids de metalls alcalinats, etc.
2. Funció i requisits del transportista
Les condicions d'ús del convertidor catalític de tres vies{0}}per a la purificació d'escapament d'automòbils són força dures, com ara variacions de temperatura que van des de -50 graus a 950 graus , impactes i vibracions greus del flux d'aire d'alta velocitat i una vida útil de fins a 2 anys o 160.000 quilòmetres. A més, l'alta activitat i la resistència a la temperatura necessària per a l'oxidació de CO i HC i la reducció de NOx, així com la resistència a la intoxicació per S i P, imposen requisits més elevats al catalitzador. La composició del catalitzador, la compatibilitat entre diversos components i les propietats de l'alúmina activa utilitzada tenen efectes importants sobre el rendiment del catalitzador, especialment afecten directament l'activitat i la vida útil del catalitzador.
(1) Composició del catalitzador
Els catalitzadors de tres-vías consisteixen principalment en el substrat del catalitzador, el recobriment actiu i els components actius. Mitjançant processos especials de preparació i diferents distribucions de components actius amb diferents proporcions en el recobriment, es poden complir els requisits d'un bon rendiment catalític en diferents posicions del sistema d'escapament de l'automòbil, des de l'arrencada en fred fins a la temperatura elevada.
Substrat del catalitzador: el substrat, també conegut com a suport, inclou principalment ceràmica de niu d'abella de cordierita, carbur de silici, bresques metàl·liques, làmines ondulades, etc. El substrat ha de complir els requisits següents: alta resistència mecànica per suportar el xoc tèrmic i la vibració severa del flux d'aire d'alta velocitat-; gran superfície externa i porositat per facilitar l'adhesió i dispersió del recobriment actiu; baix coeficient d'expansió tèrmica i resistència a altes temperatures per evitar esquerdes i deformacions que condueixin al despreniment del recobriment a causa de canvis dràstics en la temperatura de funcionament; alta permeabilitat al flux d'aire i alta resistència a la caiguda de pressió per evitar una pèrdua excessiva de potència del motor a causa de l'alta resistència d'escapament; baixa capacitat de calor i alta conductivitat tèrmica per augmentar ràpidament la temperatura durant els arrencades en fred per a l'acció catalítica; i immunitat a substàncies que poden enverinar el catalitzador sense interactuar amb ell.
Recobriment actiu: el recobriment ha de tenir una forta adherència al substrat i un coeficient d'expansió tèrmica similar al del substrat per evitar el despreniment del recobriment a causa de les variacions de temperatura i l'expansió tèrmica i la contracció del substrat; bona estabilitat-a alta temperatura per inhibir la transformació de fase o la sinterització a altes temperatures; i certa tolerància a traçar substàncies tòxiques com Pb, S i P per evitar l'enverinament dels components actius. A més de l'alúmina activa, el material de recobriment inclou principalment òxids compostos de terres rares com Ce i Zr, metalls alcalinotèrres o metalls alcalins i òxids metàl·lics com Ba, Sr i TiO2, afegits per millorar l'estabilitat tèrmica del material de recobriment i millorar la resistència del catalitzador a altes temperatures, capacitat d'emmagatzematge d'oxigen, resistència a la dispersió de components actius de verí i dispersió.
Components actius del catalitzador: els components actius han de tenir una bona -resistència a la temperatura alta, resistència a la intoxicació per S, P, baixa temperatura d'ignició, alta activitat catalítica, inclòs un alt rendiment d'oxidació de CO i HC i un alt rendiment de reducció de NOx i una bona dispersió. Els components actius de metalls preciosos inclouen principalment platí, pal·ladi, rodi i les seves combinacions. El pal·ladi i el platí tenen una excel·lent activitat catalítica per a l'oxidació de HC i CO, mentre que el rodi té una excel·lent activitat catalítica per a la reducció de NOx, i la seva activitat a baixa -temperatura és millor que la del pal·ladi i el platí. Amb l'enduriment dels estàndards d'emissions d'automòbils i la implementació generalitzada de les normes Euro V, els requisits d'emissió de NOx són cada cop més estrictes i els convertidors catalítics de tres-vías contenen generalment quantitats variables de rodi.
Els convertidors catalítics -de tres vies per a la purificació d'escapament d'automòbils poden mantenir un bon rendiment en condicions de funcionament dures, i la combinació d'optimització del substrat del catalitzador, el recobriment actiu i els components actius és crucial a més de bons mètodes de preparació. Els catalitzadors de tres vies solen basar-se en ceràmica de niu d'abella de cordierita o nius d'abella metàl·liques, amb portadors d'alúmina actius carregats de components actius de metalls preciosos i òxids compostos de terres rares o òxids de metalls alcalins o alcalinotèrres com a additius, triturats en una purina com a material de recobriment, recoberts sobre el substrat mitjançant un procés especial, assecat i activació, i calcinació.
(2) Paper i influència de l'alúmina
El paper de l'alúmina activa en els convertidors catalítics de tres-vies rau a servir com a portador de components actius de metalls preciosos per garantir la seva alta dispersió i com a component del material de recobriment per proporcionar una gran superfície específica, mantenir una bona adherència i associació amb el substrat ceràmic i evitar el despreniment del recobriment i la transformació de fase. Actualment, l'alúmina activa més utilitzada és l'AOS, que té una gran superfície específica, una distribució de porus moderada i una bona resistència a la sinterització. No obstant això, -Al2O3 és una fase metaestable i és propensa a la transformació de fase i a la sinterització a altes temperatures, la qual cosa condueix a una fase -estable i a l'engruiximent de les partícules, el que resulta en una disminució significativa de la superfície específica, afectant així la dispersió de metalls actius a la seva superfície i reduint el rendiment del catalitzador o fins i tot la desactivació. A més, en una atmosfera oxidant a-alta temperatura de 800 ~ 900 graus, el recobriment -Al2O3 reaccionarà amb el component actiu Rh per formar sals d'alumini no{-actives, reduint també l'activitat del catalitzador.
Per millorar l'estabilitat a alta-temperatura de l'alúmina activa del recobriment i evitar la seva aglomeració i transformació de fase, el mètode comú actual a la indústria és afegir elements no-de metalls preciosos com ara terres rares o metalls de transició a -Al2O3. Els elements de terres rares tenen capes d'electrons 4f sense omplir, nivells d'energia electrònics rics i inusuals i moltes excel·lents propietats òptiques, elèctriques, magnètiques i nuclears, juntament amb les seves propietats químiques molt actives, poden formar diversos materials nous amb diferents categories, funcions i usos amb altres elements. Els cations dels elements de terres rares tenen radis iònics molt més grans que l'Al3+, que pot augmentar la temperatura de transformació de fase de -Al2O3, suprimir la difusió d'O2{- o Al{3+, millorant així la resistència a la sinterització a alta-temperatura de l'alúmina activa del recobriment i mantenint la seva superfície específica elevada. Els estudis han demostrat que quan s'estabilitza l'estructura de l'alúmina activa, es poden afegir elements de terres rares com La, Pr, Nd i Ce, així com metalls alcalinotèrres Ba, Sr i Ca, etc. La resistència a la sinterització a alta -temperatura de l'alúmina activa està relacionada amb la mida dels radis d'ions d'elements de terres rares en certa mesura, i el millor efecte estabilitzador s'aconsegueix amb radis iònics més grans. Per tant, La és el millor modificador. La-alúmina activa modificada formarà un LaAlO3 de tipus perovskita a la superfície, i el LaAlO3 nucleat es fixarà a les cantonades de la xarxa Al2O3, millorant així l'estabilitat tèrmica i la superfície específica de l'alúmina i inhibint la seva transformació a la fase.
El paper dels materials catalítics de terres rares en els convertidors catalítics de tres-direccions per a la purificació d'escapaments d'automòbils, especialment l'emmagatzematge d'oxigen i la funció d'alliberament de l'òxid de ceri al catalitzador. El ceri té dos estats d'oxidació, Ce4+ amb un radi d'ions de 0,97 Å i Ce3+ amb 1,03 Å. A mesura que el contingut d'oxigen del sistema de reacció s'alterna, Ce4+ i Ce3+ al catalitzador també s'alternen, és a dir, quan el contingut d'oxigen és elevat, Ce3+ es converteix en Ce{4+, i el catalitzador adsorbeix i emmagatzema més oxigen del sistema de reacció; quan el contingut d'oxigen és baix, Ce4+ es converteix en Ce3+ i el catalitzador allibera més oxigen al sistema de reacció. El paper de l'òxid de ceri també inclou l'estabilització de la superfície específica i l'estructura dels porus dels portadors d'alúmina, el manteniment de la bona dispersió dels components actius de metalls preciosos, la millora de l'activitat i la resistència a la intoxicació per sofre i plom del catalitzador, etc.
L'alúmina d'alt rendiment -pode augmentar la superfície específica del catalitzador i la dispersió de partícules de metalls preciosos, garantir l'alta dispersió de partícules de metalls preciosos i millorar significativament l'estabilitat a alta-temperatura de l'alúmina després de la modificació afegint una certa quantitat d'òxid de terres rares o modificant la superfície de l'alúmina per òxid de terres rares. Després de barrejar i triturar completament metalls preciosos amb el portador d'alúmina d'alt rendiment anterior, òxid de terres rares amb alta temperatura i alt rendiment d'emmagatzematge d'oxigen, altres components additius i aigua desionitzada, es realitzen el recobriment, l'assecat, la calcinació i l'activació, i el catalitzador de purificació de tres vies obtingut té un rendiment excel·lent i pot substituir els productes catalitzadors importats. L'alúmina és el portador de recobriment de catalitzador més utilitzat, però el problema d'estabilitat tèrmica de l'Al2O3 ha afectat durant molt de temps a la gent, especialment en entorns de reacció amb altes temperatures i presència de vapor d'aigua, -Al2O3 és propens a la transformació de fase i la sinterització, donant lloc al desenvolupament d'una fase estable i -partícules, la qual cosa provoca una disminució important de l'àrea de la superfície i una disminució important de la superfície específica. de desactivació de catalitzadors carregats. Per tant, la investigació i el desenvolupament de materials portadors d'alúmina amb alta-estabilitat a la temperatura i una gran superfície específica són tecnologies clau per desenvolupar una nova generació de catalitzadors de purificació d'escapament d'automòbils. A més, la Xina és un important productor de terres rares, i com desenvolupar els seus avantatges en terres rares i desenvolupar catalitzadors de purificació d'escapament d'automòbils-basats en terres rares-amb un millor rendiment, substituint els catalitzadors de metalls preciosos per terres rares de baix cost, serà una nova direcció de desenvolupament per als catalitzadors d'escapament d'automòbils amb àmplies perspectives.
Altres catalitzadors de tipus-revestiment
A més del primer tipus de catalitzadors de tipus-revestiment, com ara els convertidors catalítics de tres-vies per a la purificació d'escapament d'automòbils, els convertidors catalítics de quatre-vies per a la purificació d'escapaments de vehicles dièsel, els convertidors catalítics per a la desulfuració i desnitrificació de gasos residuals industrials i els catalitzadors de conversió de COV, hi ha un segon tipus de catalitzador de metalls preciosos{3}} recoberts amb elèctrodes de piles de combustible i recobriments de nano-alúmina en separadors de bateries de liti. Com que els portadors dels catalitzadors de Pt utilitzats a les piles de combustible són principalment materials basats en carboni-com el grafit, i els materials de nano-alúmina recoberts amb separadors de bateries-d'ions de liti.