[发明专利]基于金属氧化物纳米颗粒的柴油机氧化催化剂及制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种基于金属氧化物纳米颗粒的柴油机氧化催化剂及制备方法和应用。催化剂以CeO₂‑La₂O₃复合氧化物纳米颗粒为主催化活性成分，CeO₂和ZrO₂为助催化剂，γ‑Al₂O₃为涂层辅料。该催化剂能够高效净化柴油机排放的PM、HC及CO等污染物。CeO₂‑La₂O₃复合氧化物纳米颗粒具有抗硫、耐热、低成本优势，还能够显著提高单位质量催化材料中活性中心的数量，强化主催化活性成分的催化活性，实现贵金属的完全替代，复合氧化物纳米颗粒中CeO₂与La₂O₃的同时添加可以产生协同增效作用，提高催化剂的整体催化活性并扩展高活性温度窗口，基于炭黑吸附基质的先吸附再反应制备方法显著提高过渡金属氧化物前驱体的分散效果。

技术领域

本发明属于柴油机氧化催化剂技术领域，具体涉及一种基于金属氧化物纳米颗粒的柴油机氧化催化剂及制备方法和应用。

背景技术

柴油机热效率高、输出功率大、结实耐用，在国内外交通运输领域得到了广泛应用，不仅产量和保有量逐年提高，而且总行驶里程和总运载量的增加幅度更为明显。但在为人类的生产、生活提供高效、便利服务的同时，柴油车排放了大量的有害污染物，严重危害了大气环境和人类健康。公众对良好生活环境的追求推动有关部门制定并执行了排放法规限制柴油车的污染物排放，而随着排放法规的日益严格，柴油车污染物排放控制技术也得到了长足的发展和进化。在柴油车的排放污染物中，PM(颗粒物)、HC(碳氢)和CO(一氧化碳)一般是通过柴油机氧化催化器(DOC)技术进行净化，而传统DOC内部孔道表面涂敷以贵金属为主催化成分的催化涂层，其催化效率极高，但贵金属材料抗硫性、耐高温烧结性较差，同时原材料成本高昂，导致DOC中贵金属催化剂替代/减量问题成为国内外相关领域的研究热点。

国内外专家普遍认为过渡金属氧化物是最具潜力的贵金属催化剂替代材料之一，与后者相比，前者的抗硫性、耐热性及成本均具有无以伦比的优势。同时，过渡金属氧化物针对HC和CO氧化反应的催化效果也能够满足柴油机排气污染物净化过程的实际需求，但其针对柴油机排气中PM氧化反应的催化效率与贵金属催化剂的催化效率差距较大，导致过渡金属氧化物材料至今未能实际应用于商业化的DOC产品。

催化活性点位是催化剂催化作用的源泉，而催化活性点位自身氧化—还原反应活性较低是过渡金属氧化物材料催化氧化反应效果较差的核心原因，而目前还没有成熟的技术能够大幅度提高过渡金属氧化物催化活性点位的反应活性。另一方面，如果增加单位质量过渡金属氧化物中催化活性点位的数量，提高单位时间的反应频率，同样也能提高过渡金属氧化物材料的催化效果。而催化材料颗粒粒径越小，则单位质量颗粒具有的表面积越大，颗粒表面上暴露的活性中心就会越多，从而强化催化材料的催化活性，因此，有理由推断，在相同负载量下，减小催化涂层内过渡金属氧化物颗粒的粒径可以提高DOC整体的氧化反应催化活性。

当前，纳米形貌可控合成技术是制备纳米尺度金属氧化物颗粒的最有效手段，但传统纳米形貌可控合成技术工艺复杂、制备条件苛刻，制备出的纳米金属氧化物材料多为棒状、花状等复杂有序形状。实际上，三维都具备纳米尺度的纳米球状(不需要规整)颗粒更适合柴油机排气污染物净化的需求。因此，更简洁、高效的过渡金属氧化物球状纳米颗粒的制备方法成为推进过渡金属氧化物催化剂在DOC中商业化应用的基础。

发明内容

本发明第一方面的目的是提供一种基于金属氧化物纳米颗粒的柴油机氧化催化剂，包括CeO₂-La₂O₃复合氧化物纳米颗粒、CeO₂、ZrO₂、γ-Al₂O₃以及400目堇青石蜂窝陶瓷。适用于柴油机排气中颗粒物、碳氢及一氧化碳的氧化净化。