不同CeO2含量對柴油機商用稀土SCR催化劑NH3-SCR性能的影響

朱 婷 王春霞 韓財寶

(皖江工學院 基礎部，安徽 馬鞍山 243031)

柴油機的主要特點即功率非常大，而且柴油機的耗能很低，柴油機的使用壽命非常長，因此在日常生活中得到了非常廣泛的應用。柴油機在使用過程中排放的大量氮氧化物給人們的正常生產和生活帶來了非常大的危害，降低了人們的正常生活質量。

選擇性催化還原法是目前應用非常廣泛的一個凈化技術。這種技術發揮作用的主要方式即在特定的催化劑作用之下，用一些其他類型的還原劑將氮氧化物還原為氮氣的方法，這種還原方法的主要特點就是一種高性能的催化劑。目前我國使用比較廣泛的柴油車尾氣凈化催化劑主要包括兩種：第一種催化劑是V2O5-TiO2催化劑，這種催化劑的主要特點是低溫活性非常差，而且這種催化劑在高溫的天氣下發揮作用時穩定性非常差。目前，我國柴油機在使用過程中由于非道路移動機械對車輛的要求非常高，因此，要想正常使用系統必須不斷循環和再生。而且在循環再生過程中必須保證再生溫度高于一定的數值，這種催化劑在高溫下會向大氣中排放一些其他類型的化學物質，這些化學物質不僅能夠降低脫硝性能，而且還會直接對環境造成非常嚴重的二次污染。第二種催化劑就是Cu基分子篩催化劑，這種類型的催化劑的主要特點是有非常好的低溫活性，而且這種催化劑在高溫下穩定性非常好，這種類型的催化劑在目前歐美一些國家應用非常廣泛，但在應用過程中應用成本非常高。第一種催化劑由于其自身的成本比較低，而且這種催化劑比較環保，是目前應用比較廣泛的催化劑。

1 實驗內容

1.1 實驗物質特點

CeO2經過研究發現具有一定的氧化還原對，由于這種物質內部有一定的氧空位，所以，這種物質在使用過程中能夠有效促進氧的運輸和移動，通過這種方式來進一步推動反應進行。

CeO2物質的存在能夠有效地提高催化劑的熱穩定性。因此，含有CeO2的催化劑已經成為近些年各個研究領域的一個熱點問題，在研究過程中，一些科學家的研究首次發現了具有高的氮氧化物轉化率和高氮氣選擇性的催化劑，這種類型的催化劑中的CeO2含量應當高于一定的數值。一些其他的科學家也發現，如果能在催化劑中摻一些CuO就能有效地提高催化劑中的吸附氧物種的含量，通過這種方法有助于提高催化劑的抗水性能。近些年來，經過研究一些科學家發現CeO2催化劑中如果能夠參加一些二氧化硅，就能有效地提高其低溫活性和性能。這種催化劑能抗二氧化硫性能也會提高。科學家也發現了一系列其他類型的催化劑，經過研究發現，這類催化劑在一定的溫度范圍內，相關的氮氧化物的轉化率非常高，在經過一定溫度的水熱化一定時間之后，其氮氧化物的轉化率能夠達到更高，甚至優于一些其他類型的催化劑。本文詳細分析了一種含有特殊孔道結構的稀土催化劑，這種催化劑的主要特點是已經通過發動機的臺式循環測試，而且這種催化劑也通過了城市道路排放測試的檢測。

本文為了進一步優化稀土SCR催化劑的相關性能，研究分析了不同CeO2含量對催化劑的脫硝性能的影響，通過不同類型的測試及實驗對催化劑的表面特征進行分析，詳細探討了不同CeO2含量對稀土SCR化劑結構性能的影響，通過這種方法來進一步獲得一個更高效的脫硝催化劑，為稀土SCR氯化劑在一些非道路移動領域的應用提供更加有力的支持，推動我國產業發展。

1.2 催化劑的制備方法

本文在催化劑的制備過程中，主要的制備方法是以商用稀土SCR催化劑為基礎，采用浸漬法來進一步改變CeO2含量，通過這種措施來制作出不同CeO2含量催化劑，然后將一定的物質溶于去離子水中，在這一基礎之上，加入一些商用SCR催化劑的物質，然后在室溫下攪拌一個小時之后，在外界恒定溫度的作用之下攪拌到水分蒸干，再在一定溫度之下烘干12個小時，經過上述一系列的復雜布置之后將所取得的固體樣品進行標記，再將所取得的固體樣品放到馬弗爐中，在高溫之下煅燒三小時，通過這種操作性能夠獲得不同CeO2含量的SCR催化劑，制備所得的催化劑能夠在以下實驗中發揮作用。

1.3 催化劑的表面特征

X射線粉末衍射分析的方法主要就是在X射線粉末分析儀上來進一步確定進行，在外界輻射源的作用之下，輻射出一定的幅度射線，射線的掃描范圍為一定的數值。在這一過程中，相關的催化劑比表面積、和孔體積都要維持在一定的數值之內，并使用美國一個公司所產出的一臺物理吸附儀對這些數據進行檢測，在檢測過程中，應保證相應的預處理條件在一定的溫度之下脫氣三小時。這種新型的射線分析方法已經成為目前測試的一個主要方法和步驟，在這一過程中必須首先保證測試在高真空條件下進行，而且在測試過程中可以以一些稀有的元素作為電子的發射源，在得到最終的結合能之后，按照相關的標準譜對這些數據進行校正。在這一過程中，氫氣程序升溫還原和氨氣程序升溫脫附的測試必須在外界一定的分析儀上進行，在分析過程中可以采用標準的檢測器，將催化劑的用量保持在一定數值之內，催化劑的用量有著非常重要的意義。其次，參與實驗的不同氣體的用量也要進行嚴格控制，比如，氫氣、氮氣、氨氣等一些其他類型的氣體必須保持在一定數值之內，而且在這一過程中也要保持氣流速度穩定，在測試過程中，可以以一定的速率為基礎來進行測試，并將其最終物質保持在高溫下。

1.4 催化劑的活性評價

在反應過程中，必須對催化劑進行活性評價，而催化劑的性能測試主要是在一個固定的反應裝置上來進行的。在測試過程中就是將不同CeO2含量的商用稀土催化劑裝于反應容器，也就是石英反應管中，反應容器配制完成之后就要配置反應氣體，參加反應的氣體要有各種類型的氣體，比如，一氧化氮、氮氣、二氧化碳、氫氣等，在這些不同類型的氣體中氮氣為平衡氣，在這一過程中要保持混合氣體的流速為一定的數值，也要使空氣的流速保持在穩定的數值之內。在這一過程中所使用的氣體檢測系統是煙氣分析儀，這種分析儀器的作用非常廣泛。在這一過程中必須明確催化劑的老化速度條件：12%O2，8%H2O，氮氣為平衡氣體。

2 最終的實驗結果分析與討論

2.1 脫硝性能分析

經過一系列精密的實驗裁定及結果表明：不同CeO2含量的商用稀土SCR催化劑的脫硝性能會隨著溫度的變化而變化。實驗數據可以表明：在溫度為150—300度的范圍內，隨著實驗所加入的CeO2含量的不斷增加，商用稀土SCR催化劑的新鮮性能也會呈現下降趨勢。但當催化劑經過高溫600度的水老化一定時間之后，催化劑的脫硝性能就不會隨著CeO2含量的增加而降低，反而呈現一個不一樣的發展趨勢。在350—400攝氏度的范圍內，不同CeO2含量催化劑的新鮮及老化性能經過測定基本相同，以上數據分析說明CeO2含量在低溫發展段內對于SCR催化劑的老化性能影響非常大。對于CeO2含量為16%的催化劑，這種情況下的新鮮樣品在200攝氏度的轉化率經過調定為59%。而在250攝氏度的轉化率為88%，經過以上數據分析，可見這種催化劑經過水熱老化之后性能會大幅度下降[1]。

經過詳細的數據分析顯示表明：經過水熱老化之后，催化劑的脫硝性能在200攝氏度降低了27.5%。對于20Ce催化劑來講，雖然這種類型的催化劑在不同的催化溫度點經過相關的數據測定其脫硝性能劣化較低，但整體的特效性能并不能滿足外界的排放要求。所以，綜合以上數據分析可以得出一個最終結論：稀土SCR催化劑中的CeO2含量要想發揮最佳作用，其含量要保持在16%。

2.2 X射線粉末衍射分析

經過相關的數據分析可以表明，CeO2的存在能夠有效提高二氧化硅在催化劑表面的分散性。一些科學家提出Ce-SIO2計算機在一定條件之下能夠實現完全的轉化，比如，當TI/SI的質量比例為3 : 1時，催化劑在一定溫度范圍之內就能實現氮氧化物的完全轉化，出現這種現象的主要原因是由于TiO2和SiO2相互作用能進一步促進催化劑表面的一些物質的相互轉化，而且也有利于相應的酸性位數量的增加，出現這種現象更有利于催化劑的脫硝性提高。

除此之外，二氧化硅還可以弱化催化劑表面的堿性，催化劑表面的堿性一旦降低就有助于催化劑的抗硫性能的提高，科學家經過一定的反應數據測試，測定了反應速率常數，并通過相關的化學機理分析，最終證明了在反應物中添加適量的二氧化硅能有效幫助催化劑低溫性能的提高。這種新型的發現是目前應用非常廣泛的。在這個基礎之上，本實驗所分析的商用稀土SCR催化劑中含有一定量的二氧化硅，而CeO2的添加更有助于物質在催化劑表面的大幅度分散，而這種分散有利于對催化劑的脫硝性能和水熱老化性能進行改變，這些實驗結果與最終的活性測試結果是一致的。經過公式計算得到催化劑中不同物質的顆粒含量，從數據分析可以看出，CeO2含量對稀土催化劑的顆粒影響是比較小的，所以，這種物質對于催化劑的晶體結構沒有什么大的影響。

2.3 N>2吸附-脫附測試分析

經過相關的實驗結果顯示，CeO2含量對稀土催化劑的等溫吸附曲線基本上沒有太大的影響。經過最終的分析說明稀土催化劑具有介孔結構，儀器對于這些介孔分析可以最終看出催化劑在7.4nm數值左右會出現一個分布比較寬泛的峰，其他類型的樣品的孔比較大，最終的峰的位置分布比較集中。隨著CeO2含量的不斷增加，數據分析表明催化劑的比表面積在逐漸減少。但在減少過程中，催化劑表面的孔體積呈現出先增大后減小的趨勢。而催化劑的比表面積是影響催化劑活性的一個重要因素之一，本組樣品隨著比表面積的增加，催化劑的新鮮性能也在不斷提高[2]。實驗說明適當的比表面積值有利于催化劑水熱老化性能的提高，而且孔體積越大越有利于催化劑孔道中各種反應物分子進行各種化學物質反應，有利于催化劑活性的提高。

3 結語

本文詳細分析了不同CeO2含量對商用稀土催化劑脫硝性能的影響，最終得到結論：CeO2含量對于催化劑的晶體結構幾乎沒有什么影響，但卻影響催化劑的組織性質，較大的孔體積和適當的比表面積更有利于催化劑發揮作用。所以，在日常應用過程中應合理選擇CeO2的含量，使柴油機商用稀土SCR催化劑NH3-SCR的性能維持在最好的狀態。