Катализатор за пречишћавање издувних гасова аутомобила
1. Механизам деловања катализатора
Загађивачи у издувним гасовима аутомобила углавном укључују угљен моноксид (ЦО), угљоводонике (ХЦ), оксиде азота (НО), сумпор-диоксид (СО2) и честице (једињења олова, угљеничну чађ, итд.). Тренутно постоје две главне методе за пречишћавање аутомобилских издувних гасова: унутрашње пречишћавање и спољашње пречишћавање. Унутрашње пречишћавање подразумева промену структуре мотора да би се промовисало потпуно сагоревање горива или да би се омогућило поновно-сагоревање неких издувних гасова како би се смањиле штетне материје. Спољно пречишћавање углавном користи методе каталитичког пречишћавања, које укључују и реакције оксидације ЦО и ХЦ, као и реакције редукције НО, користећи каталитичко дејство за претварање штетних супстанци у издувним гасовима у безопасне ЦО, Х2О и Н2. Методе каталитичког пречишћавања које се тренутно користе укључују каталитичку оксидацију, каталитичку редукцију-оксидацију и тросмерно каталитичко пречишћавање-. Тросмерни{11}катализатори се широко користе у разним земљама. Тросмерни{13}}катализатор се углавном састоји од три дела: супстрата катализатора, активне превлаке и каталитичких активних компоненти. Поред тога, да би се побољшале перформансе катализатора, мале количине адитива се често додају активном премазу и каталитичким активним компонентама, углавном оксидима ретких земаља и оксидима земноалкалних метала, итд.
2. Функција носиоца и захтеви
Услови коришћења тросмерног катализатора за пречишћавање издувних гасова аутомобила су прилично тешки, укључујући температурне варијације у распону од -50 степени до 950 степени, јаке ударе и вибрације услед протока ваздуха велике брзине и радни век до 2 године или 160.000 километара. Штавише, висока активност и отпорност на температуру потребне за оксидацију ЦО и ХЦ и редукцију НОк, као и отпорност на тровање С и П, намећу веће захтеве за катализатор. Састав катализатора, компатибилност између различитих компоненти и својства активне глинице која се користи имају важне ефекте на перформансе катализатора, посебно директно утичу на активност и век трајања катализатора.
(1) Састав катализатора
Тро{0}}тросмерни катализатори се углавном састоје од супстрата катализатора, активног премаза и активних компоненти. Кроз посебне процесе припреме и различите расподеле активних компоненти са различитим односима у премазу, могу се испунити захтеви за добрим каталитичким перформансама на различитим позицијама у издувном систему аутомобила, од хладног старта до високе температуре.
Подлога за катализатор: Подлога, такође позната као подлога, углавном укључује керамику у облику саћа од кордиерита, силицијум карбид, метално саће, валовите лимове, итд. Подлога треба да испуњава следеће захтеве: висока механичка чврстоћа да издржи топлотни удар и јаке вибрације протока ваздуха велике-брзине; велика спољна површина и порозност за олакшавање пријањања и дисперзије активног премаза; низак коефицијент топлотног ширења и отпорност на високе температуре за спречавање пуцања и деформација које доводе до одвајања премаза услед драстичних промена радне температуре; висока пропусност протока ваздуха и отпорност на висок пад притиска како би се избегао прекомерни губитак снаге мотора због великог отпора издувних гасова; низак топлотни капацитет и висока топлотна проводљивост за брзо повећање температуре током хладних стартова за каталитичко деловање; и имунитет на супстанце које могу отровати катализатор без интеракције са њим.
Активни премаз: Премаз треба да има јаку адхезију за подлогу и коефицијент топлотног ширења сличан оном код подлоге како би се спречило одвајање премаза услед температурних варијација и топлотног ширења и контракције подлоге; добра висока{0}}стабилност на високим температурама за инхибицију фазне трансформације или синтеровања на високим температурама; и одређена толеранција на трагове токсичних супстанци као што су Пб, С и П како би се избегло тровање активних компоненти. Поред активне глинице, материјал за облагање углавном укључује композитне оксиде ретких земаља као што су Це и Зр, земноалкалне метале или алкалне метале, и оксиде метала као што су Ба, Ср и ТиО2, који су додати да би се побољшала термичка стабилност материјала за облагање и побољшала отпорност катализатора на високе температуре, капацитет складиштења кисеоника, отпорност активних компоненти на тровање, дисперзија и стабилност.
Активне компоненте катализатора: Активне компоненте треба да имају добру отпорност на високе-температуре, отпорност на тровање С, П, ниску температуру паљења, високу каталитичку активност, укључујући високе перформансе оксидације ЦО и ХЦ и високе перформансе редукције НОк и добру дисперзију. Активне компоненте племенитих метала углавном укључују платину, паладијум, родијум и њихове комбинације. Паладијум и платина имају одличну каталитичку активност за оксидацију ХЦ и ЦО, док родијум има одличну каталитичку активност за смањење НОк, а његова ниско-активност на ниској температури је боља од активности паладијума и платине. Са пооштравањем стандарда за аутомобилску емисију и широко распрострањеном применом стандарда Еуро В, захтеви за емисију НОк постају све строжији, а тросмерни катализатор-уопштено садржи различите количине родијума.
Тро-тросмерни катализатори за пречишћавање издувних гасова аутомобила могу да одрже добре перформансе у тешким условима рада, а комбинација оптимизације супстрата катализатора, активног премаза и активних компоненти је кључна поред добрих метода припреме. Тросмерни катализатори се обично базирају на керамици саћа од кордиерита или металном саћу, са активним носачима алуминијума напуњеним активним компонентама племенитих метала и композитним оксидима ретких земаља или оксидима земноалкалних метала као адитивима, млевеним у кашу као материјал за облагање, обложеним на подлогу, припремљеним специјалним поступком, припремљеним сушењем.
(2) Улога и утицај глинице
Улога активне глинице у тросмерним каталитичким конверторима лежи у томе да служи као носач активних компоненти племенитих метала како би се обезбедила њихова висока дисперзија и као компонента материјала за облагање да би се обезбедила висока специфична површина, одржавала добра адхезија и поклапање са керамичком подлогом и спречавало одвајање премаза и фазну трансформацију. Тренутно, најчешће коришћена активна глиница је АОС, која има велику специфичну површину, умерену дистрибуцију пора и добру отпорност на синтеровање. Међутим, -Ал2О3 је метастабилна фаза и склона је фазној трансформацији и синтеровању на високим температурама, што доводи до стабилне -фазе и грубости честица, што доводи до значајног смањења специфичне површине, што утиче на дисперзију активних метала на њеној површини и смањује перформансе катализатора или чак деактивира. Штавише, у оксидационој атмосфери високе{8}}температуре од 800~900 степени, -Ал2О3 премаз ће реаговати са активном компонентом Рх и формирати не-активне соли алуминијума, такође смањујући активност катализатора.
Да би се побољшала-температурна стабилност активне глинице превлаке и спречила њена агломерација и фазна трансформација, тренутни уобичајени метод у индустрији је додавање елемената који нису-племенитих метала као што су ретке земље или прелазни метали у -Ал2О3. Елементи ретких земаља имају непопуњене 4ф електронске љуске, богате и необичне енергетске нивое електрона и многа одлична оптичка, електрична, магнетна и нуклеарна својства, заједно са својим веома активним хемијским својствима, могу формирати различите нове материјале са различитим категоријама, функцијама и употребом са другим елементима. Катјони реткоземних елемената имају јонске радијусе много веће од Ал3+, што може повећати температуру фазне трансформације -Ал2О3, потиснути дифузију О2- или Ал3+, чиме се побољшава-отпорност на синтеровање при високим температурама и одржава висока специфична површина превлаке, активна глиница. Истраживања су показала да се приликом стабилизације структуре активног алуминијума могу додати реткоземни елементи као што су Ла, Пр, Нд и Це, као и земноалкални метали Ба, Ср, Ца и др. Висока{20}}отпорност активне глинице на синтеровање на високој температури је донекле повезана са величином радијуса јона реткоземних елемената, а бољи ефекат стабилизације се постиже већим радијусима јона. Према томе, Ла је бољи модификатор. Ла-модификована активна глиница ће формирати ЛаАлО3 типа перовскита на површини, а језгрови ЛаАлО3 ће бити фиксиран на угловима Ал2О3 решетке, чиме ће се побољшати термичка стабилност и специфична површина глинице и инхибирати њена трансформација у фазу.
Улога каталитичких материјала ретких земаља у тросмерним каталитичким конверторима за пречишћавање издувних гасова аутомобила, посебно функција складиштења кисеоника и ослобађања церијум оксида у катализатору. Церијум има два оксидациона стања, Це4+ са радијусом јона од 0,97 А и Це3+ са 1,03 А. Како се садржај кисеоника у реакционом систему мења, Це4+ и Це3+ у катализатору се такође смењују, тј. када је садржај кисеоника висок, Це3+ се претвара у Це4+, а катализатор адсорбује и складишти више кисеоника из реакционог система; када је садржај кисеоника низак, Це4+ се претвара у Це3+, а катализатор ослобађа више кисеоника у реакциони систем. Улога церијум оксида такође укључује стабилизацију специфичне површине и структуре пора носача глинице, одржавање добре дисперзије активних компоненти племенитих метала, побољшање активности и отпорности на тровање сумпором и оловом катализатора итд.
Глиница високих{0}}конструкција може повећати специфичну површину катализатора и дисперзију честица племенитих метала, осигурати високу дисперзију честица племенитих метала и значајно побољшати-температурну стабилност глинице након модификације додавањем одређене количине оксида ретких земаља или модификацијом површине оксида алуминијума. Након потпуног мешања и млевења племенитих метала са горе наведеним носачем глинице високих-учинака, оксидом ретких земаља са високом температуром и високим перформансама складиштења кисеоника, другим компонентама адитива и дејонизованом водом, затим се врши премазивање, сушење, калцинација и активација, а добијени тросмерни производи за пречишћавање и катализатор могу заменити одличне перформансе. Глиница је најчешће коришћени носач катализатора, али проблем термичке стабилности Ал2О3 дуго је мучио људе, посебно у реакционим окружењима са високим температурама и присуством водене паре, -Ал2О3 је склон фазној трансформацији и синтеровању, што доводи до развоја стабилне -фазе и значајног смањења површине честица, што доводи до значајног смањења површине честица у узроци деактивације напуњених катализатора. Стога су истраживање и развој материјала за носаче од глинице са високо-температурном стабилношћу и великом специфичном површином кључне технологије за развој нове генерације катализатора за пречишћавање издувних гасова аутомобила. Поред тога, Кина је главни произвођач ретких земаља, а како да развије своје предности у ретким земљиштима и развије тросмерне катализаторе за пречишћавање издувних гасова аутомобила на бази ретких земаља-- са бољим перформансама, замењујући катализаторе од племенитих метала јефтиним ретким земљиштима, биће нови правац развоја издувних гасова за широку перспективу аутомобилске индустрије.
Други катализатори{0}}врста премаза
Поред првог типа катализатора{0}}типа премаза као што су тросмерни катализатори за пречишћавање издувних гасова аутомобила, четворосмерни катализатори за пречишћавање издувних гасова дизел возила, катализатори за одсумпоравање и денитрификацију индустријских отпадних гасова, и ВОЦ, ВОЦ, тип катализатора за конверзију ВОЦ} постоји{3} тип катализатора} другог типа {3} катализатори као што су племенити метали Пт катализатори обложени на електродама горивих ћелија и нано- превлаке од алуминијума на сепараторима литијумских батерија. Зато што су носачи за Пт катализаторе који се користе у горивим ћелијама углавном материјали на бази угљеника-као што је графит и нано{7}}алуминијумски материјали обложени литијум-јонским сепараторима батерија.