[发明专利]一种有序大孔-有序介孔复合孔道铈锆金属氧化物催化剂

说明书

本发明提供了一种有序大孔‑有序介孔复合孔道铈锆金属氧化物催化剂，该催化剂的分子式为Ce_1‑xZr_xO₂，0.5≤x﹤1；大孔为三维有序结构，大孔孔壁上的介孔为有序的类二维六方孔道结构。本发明提供的催化剂实现了大孔和介孔的同时有序，因此具有丰富、有序、连通的孔道结构，有利于反应物分子的吸附与扩散，极高的比表面积提供了大量的氧活性位点，因此，有利于气体分子NO_X和CO的深度氧化。基于以上优点，本发明提供的催化剂在柴油车尾气催化净化领域具有较高的应用价值。

技术领域

本发明属于环境催化领域，具体涉及一种有序大孔-有序介孔复合孔道铈锆金属氧化物催化剂。

背景技术

全球范围内的空气质量每况愈下，作为空气污染指数重要指标，可入肺颗粒物的含量(PM2.5)首当其冲。据统计，北京地区最大的PM2.5来源是机动车，而根据2013年中国环境科学院给出的数据，柴油车尾气排放的PM2.5占到所有机动车排放总和的90％，因此，减少柴油车尾气排放中的炭烟颗粒成了治理空气污染的首要任务。

炭烟颗粒的本质就是碳，本身无毒无害，但炭烟颗粒的表面通常会吸附致癌物质(如多环芳烃、苯丙芘等)、挥发性有机污染物(如HC、醛酮类)和部分的重金属元素等，若吸附了有毒物质的炭烟颗粒直接与人类的皮肤和眼睛接触，会引起皮炎、过敏、流泪等症状。此外，小粒径的炭烟颗粒会长时间在空气中悬浮，若被吸入肺部后，会在肺部沉积，危害到人类的呼吸系统甚至危害生命。因此，减少柴油车尾气排放中的炭烟颗粒对于保护人类生命安全迫在眉睫。

目前，研究人员开发的控制柴油车尾气排放中的炭烟颗粒的技术主要集中在以下三种：柴油的清洁化、发动机的改进和尾气排放后处理技术。由于清洁柴油油品性质和改进发动机都不能彻底解决炭烟颗粒的排放问题，始终炭烟的生成都只能减少不能根除，因此，炭烟催化燃烧的尾气排放后处理技术是最为彻底有效的减排手段。

由于催化炭烟燃烧反应是气(尾气)-固(催化剂)-固(炭烟颗粒)三相的深度氧化反应过程，因此催化剂的活性与催化剂和炭烟颗粒有效接触面积密切相关。传统催化剂的孔径一般小于10nm，但炭烟颗粒的直径一般都高于25nm。因此，当传统催化剂用于炭烟催化燃烧时，炭烟颗粒无法与催化剂内部表面丰富的活性位接触，从而降低了催化剂活性位的利用率造成活性的偏低。因此大孔(孔径在100-450nm)催化剂可以让炭烟颗粒进入催化剂内部，有效提高反应物的接触面积。

另外考虑到催化炭烟燃烧反应的产物，与不完全氧化生成的CO相比，研究者更希望炭烟可以完全氧化生成无毒的CO₂。因此更窄更有序的介孔通道可以提供更多的氧活性位，因此更利于小分子反应物深度氧化反应的发生。不仅如此，更丰富的氧活性位也有利于尾气中的NO_X氧化为NO₂，而同时NO₂又可以作用于炭烟作为强氧化剂，间接将炭烟氧化为CO₂，一箭双雕。因此均匀介孔(孔径在3-8nm)可以有效提高CO₂选择性和催化炭烟活性。

CN102309960A公开了一种具有高度有序介孔的CeO₂-ZrO₂材料的制备方法，尽管单纯的介孔催化剂有极大的比表面积，催化剂内部具有丰富的氧活性位，但是炭烟颗粒仍无法进入催化剂内部，只能在催化剂表面反应，因此反应物之间的有效接触面积仍然很小。CN104607187A公开了一种热稳定的贵金属掺杂型的三维有序大孔-介孔三效催化剂及制备方法和应用，但其介孔为无序的蠕虫状结构，限制了催化剂内部产生的NO₂顺利到达催化剂表面，从而催化炭烟能力不如有序介孔。

发明内容

为克服上述问题，本发明的目的是提供一种有序大孔-有序介孔复合孔道铈锆金属氧化物催化剂，该催化剂的大孔和介孔均为有序结构，比表面积较大，因此，具有良好的炭烟催化活性和CO₂选择性。