[发明专利]电化学涂敷纳米稀土氧化物或其复合材料催化剂的方法

说明书

技术领域

本发明涉及电化学涂敷催化剂领域，具体为一种利用电化学原理在MAX多孔材料基体上涂敷厚度可控纳米稀土氧化物或其复合材料催化剂的方法。

背景技术

近几十年来，随着工业经济的快速，汽车发动机的有害排放是造成大气污染的一个主要来源。汽车发动机排气包含许多成分，其基本成分是二氧化碳、水蒸气、过剩的氧气、以及残留的氮气，还有中间产物如一氧化碳、氮氧化物、二氧化硫、固体颗粒及醛类。这些尾气产物有强烈的刺激性臭味和致癌作用。尾气已经成为城市的主要大气污染产物，大多数城市的臭氧超标，从而引起酸雨、光化学烟雾等破坏地球生态环境和损害人类健康的一系列问题。因此，中国以及国际对汽车尾气的排放标准制定越来越严格，有效减少汽车污染物的排放已是我国汽车工作发展的紧迫任务。目前，在汽车尾气排入大气前的高效催化转化技术是最有效的机外净化措施，汽车尾气催化器由三部分组成，即外壳、催化剂载体和催化剂组成，催化剂载体大量使用的是陶瓷载体。陶瓷催化剂载体的要求：具有高的热稳定性、高的机械强度、高的比表面积、低的热容量，耐腐蚀性好以及低的气体阻力。另外，由于冷启动时汽车产生的尾气含有有害气体比重远大于稳态运行状态并且低温时催化剂效率低下，因此一个导电的催化剂载体可以利用通电进行提前预热，提高冷启动时催化剂温度从而提高催化剂在冷启动状态时的效率。最重要的是，我们可以在导电的催化剂载体上用电化学方法进行电镀、电沉积将纳米稀土氧化物催化剂(如CeO₂)均匀的镀在载体上。纳米稀土氧化物型汽车尾气净化催化剂是用我国资源丰富的稀土元素和非贵金属的原料，经特殊工艺烧制成的。其原料价格仅为国外贵金属催化剂原料铂的1/10，成本低是它的一大优点。催化剂在配方上，经多年研究改进，具有一般稀土催化剂没有的抗SO₂中毒和抗烧结能力，转化性能优异，十分接近铂催化剂的活性。正常行驶时，汽车排气中的CO转化率接近100％，碳氢化合物接近90％，因而具有广泛的应用前景。

从二十世纪六十年代早期开始，Nowotny等人开始研究一类三元层状陶瓷材料，即MAX相陶瓷材料，这种材料将是一种优异的多孔催化剂载体材料。这类陶瓷材料可以用通式M_n+1AX_n表示[Monatsh.für Chem.，1967(98)：329-337]，其中M为过渡金属元素，A为IIIA或IVA族元素，X为C和/或N，n＝1、2、3。目前已被证实的有三个族：M₂AX(或211)相，M₃AX₂(或312)相，M₄AX₃(或413)相。其中，211有45种，312有3种，413有4种。三元层状可陶瓷综合了金属和陶瓷许多优异性能。像金属，是热和电的良导体，易于机械加工，具有很强的抗热震性，表现出良好的塑性，有时也被称为延展性陶瓷(ductile ceramics)。同时还像陶瓷材料具有低密度、高弹性模量、高强度和高稳定性等优异性能。因而作为体材料和膜材料具有广阔的应用前景，可用于高温结构材料、自润滑材料以及电极材料等方面。如用作航空发动机的涡轮叶片和定子材料，代替石墨制作新一代交流电机的电刷，用作金属熔炼的电极材料等。

MAX-相陶瓷材料具备所有催化剂载体材料的要求如高的热稳定性、高的机械强度等。而且该类陶瓷具有非常高的断裂韧性和金属一样的微观塑性与导电性，因此是一类非常有前途的催化剂载体材料。为了增加材料的比表面积和气体流动性能，MAX-相陶瓷催化剂载体材料被制备成结构可控的大孔网眼材料。因此，发明一种简单实用并能用于工业应用重的在MAX相多孔陶瓷基体上涂敷纳米稀土氧化物催化剂的方法成为必要。

发明内容

本发明目的在于提供一种简单实用的在MAX多孔材料基体上涂敷厚度可控纳米稀土氧化物催化剂的方法，通过湿化学方法制备孔径尺寸和孔隙率可控的多孔催化剂载体，并利用基体导电的特性，利用电化学方法对多孔催化剂载体材料进行催化剂涂敷。

本发明的技术方案是：

一种电化学涂敷纳米稀土氧化物或其复合材料催化剂的方法，将催化剂在MAX相多孔催化剂载体材料上涂敷，以纳米稀土氧化物或其复合材料的催化剂为涂敷目标物，以MAX相多孔催化剂载体材料为阴极，电解液为对应的硝酸盐溶液，浓度为0.5-1.5M，以Pt为阳极进行电化学涂敷，电流密度为0.5-1.5mA/cm³，时间为1.5-5小时，通过电化学方法可以得到厚度可控的、纳米颗粒覆盖均匀的纳米稀土氧化物或其复合材料催化剂涂层。