不同CeO2含量对柴油机商用稀土SCR催化剂NH3-SCR性能的影响

朱 婷 王春霞 韩财宝

(皖江工学院 基础部，安徽 马鞍山 243031)

柴油机的主要特点即功率非常大，而且柴油机的耗能很低，柴油机的使用寿命非常长，因此在日常生活中得到了非常广泛的应用。柴油机在使用过程中排放的大量氮氧化物给人们的正常生产和生活带来了非常大的危害，降低了人们的正常生活质量。

选择性催化还原法是目前应用非常广泛的一个净化技术。这种技术发挥作用的主要方式即在特定的催化剂作用之下，用一些其他类型的还原剂将氮氧化物还原为氮气的方法，这种还原方法的主要特点就是一种高性能的催化剂。目前我国使用比较广泛的柴油车尾气净化催化剂主要包括两种：第一种催化剂是V2O5-TiO2催化剂，这种催化剂的主要特点是低温活性非常差，而且这种催化剂在高温的天气下发挥作用时稳定性非常差。目前，我国柴油机在使用过程中由于非道路移动机械对车辆的要求非常高，因此，要想正常使用系统必须不断循环和再生。而且在循环再生过程中必须保证再生温度高于一定的数值，这种催化剂在高温下会向大气中排放一些其他类型的化学物质，这些化学物质不仅能够降低脱硝性能，而且还会直接对环境造成非常严重的二次污染。第二种催化剂就是Cu基分子筛催化剂，这种类型的催化剂的主要特点是有非常好的低温活性，而且这种催化剂在高温下稳定性非常好，这种类型的催化剂在目前欧美一些国家应用非常广泛，但在应用过程中应用成本非常高。第一种催化剂由于其自身的成本比较低，而且这种催化剂比较环保，是目前应用比较广泛的催化剂。

1 实验内容

1.1 实验物质特点

CeO2经过研究发现具有一定的氧化还原对，由于这种物质内部有一定的氧空位，所以，这种物质在使用过程中能够有效促进氧的运输和移动，通过这种方式来进一步推动反应进行。

CeO2物质的存在能够有效地提高催化剂的热稳定性。因此，含有CeO2的催化剂已经成为近些年各个研究领域的一个热点问题，在研究过程中，一些科学家的研究首次发现了具有高的氮氧化物转化率和高氮气选择性的催化剂，这种类型的催化剂中的CeO2含量应当高于一定的数值。一些其他的科学家也发现，如果能在催化剂中掺一些CuO就能有效地提高催化剂中的吸附氧物种的含量，通过这种方法有助于提高催化剂的抗水性能。近些年来，经过研究一些科学家发现CeO2催化剂中如果能够参加一些二氧化硅，就能有效地提高其低温活性和性能。这种催化剂能抗二氧化硫性能也会提高。科学家也发现了一系列其他类型的催化剂，经过研究发现，这类催化剂在一定的温度范围内，相关的氮氧化物的转化率非常高，在经过一定温度的水热化一定时间之后，其氮氧化物的转化率能够达到更高，甚至优于一些其他类型的催化剂。本文详细分析了一种含有特殊孔道结构的稀土催化剂，这种催化剂的主要特点是已经通过发动机的台式循环测试，而且这种催化剂也通过了城市道路排放测试的检测。

本文为了进一步优化稀土SCR催化剂的相关性能，研究分析了不同CeO2含量对催化剂的脱硝性能的影响，通过不同类型的测试及实验对催化剂的表面特征进行分析，详细探讨了不同CeO2含量对稀土SCR化剂结构性能的影响，通过这种方法来进一步获得一个更高效的脱硝催化剂，为稀土SCR氯化剂在一些非道路移动领域的应用提供更加有力的支持，推动我国产业发展。

1.2 催化剂的制备方法

本文在催化剂的制备过程中，主要的制备方法是以商用稀土SCR催化剂为基础，采用浸渍法来进一步改变CeO2含量，通过这种措施来制作出不同CeO2含量催化剂，然后将一定的物质溶于去离子水中，在这一基础之上，加入一些商用SCR催化剂的物质，然后在室温下搅拌一个小时之后，在外界恒定温度的作用之下搅拌到水分蒸干，再在一定温度之下烘干12个小时，经过上述一系列的复杂布置之后将所取得的固体样品进行标记，再将所取得的固体样品放到马弗炉中，在高温之下煅烧三小时，通过这种操作性能够获得不同CeO2含量的SCR催化剂，制备所得的催化剂能够在以下实验中发挥作用。

1.3 催化剂的表面特征

X射线粉末衍射分析的方法主要就是在X射线粉末分析仪上来进一步确定进行，在外界辐射源的作用之下，辐射出一定的幅度射线，射线的扫描范围为一定的数值。在这一过程中，相关的催化剂比表面积、和孔体积都要维持在一定的数值之内，并使用美国一个公司所产出的一台物理吸附仪对这些数据进行检测，在检测过程中，应保证相应的预处理条件在一定的温度之下脱气三小时。这种新型的射线分析方法已经成为目前测试的一个主要方法和步骤，在这一过程中必须首先保证测试在高真空条件下进行，而且在测试过程中可以以一些稀有的元素作为电子的发射源，在得到最终的结合能之后，按照相关的标准谱对这些数据进行校正。在这一过程中，氢气程序升温还原和氨气程序升温脱附的测试必须在外界一定的分析仪上进行，在分析过程中可以采用标准的检测器，将催化剂的用量保持在一定数值之内，催化剂的用量有着非常重要的意义。其次，参与实验的不同气体的用量也要进行严格控制，比如，氢气、氮气、氨气等一些其他类型的气体必须保持在一定数值之内，而且在这一过程中也要保持气流速度稳定，在测试过程中，可以以一定的速率为基础来进行测试，并将其最终物质保持在高温下。

1.4 催化剂的活性评价

在反应过程中，必须对催化剂进行活性评价，而催化剂的性能测试主要是在一个固定的反应装置上来进行的。在测试过程中就是将不同CeO2含量的商用稀土催化剂装于反应容器，也就是石英反应管中，反应容器配制完成之后就要配置反应气体，参加反应的气体要有各种类型的气体，比如，一氧化氮、氮气、二氧化碳、氢气等，在这些不同类型的气体中氮气为平衡气，在这一过程中要保持混合气体的流速为一定的数值，也要使空气的流速保持在稳定的数值之内。在这一过程中所使用的气体检测系统是烟气分析仪，这种分析仪器的作用非常广泛。在这一过程中必须明确催化剂的老化速度条件：12%O2，8%H2O，氮气为平衡气体。

2 最终的实验结果分析与讨论

2.1 脱硝性能分析

经过一系列精密的实验裁定及结果表明：不同CeO2含量的商用稀土SCR催化剂的脱硝性能会随着温度的变化而变化。实验数据可以表明：在温度为150—300度的范围内，随着实验所加入的CeO2含量的不断增加，商用稀土SCR催化剂的新鲜性能也会呈现下降趋势。但当催化剂经过高温600度的水老化一定时间之后，催化剂的脱硝性能就不会随着CeO2含量的增加而降低，反而呈现一个不一样的发展趋势。在350—400摄氏度的范围内，不同CeO2含量催化剂的新鲜及老化性能经过测定基本相同，以上数据分析说明CeO2含量在低温发展段内对于SCR催化剂的老化性能影响非常大。对于CeO2含量为16%的催化剂，这种情况下的新鲜样品在200摄氏度的转化率经过调定为59%。而在250摄氏度的转化率为88%，经过以上数据分析，可见这种催化剂经过水热老化之后性能会大幅度下降[1]。

经过详细的数据分析显示表明：经过水热老化之后，催化剂的脱硝性能在200摄氏度降低了27.5%。对于20Ce催化剂来讲，虽然这种类型的催化剂在不同的催化温度点经过相关的数据测定其脱硝性能劣化较低，但整体的特效性能并不能满足外界的排放要求。所以，综合以上数据分析可以得出一个最终结论：稀土SCR催化剂中的CeO2含量要想发挥最佳作用，其含量要保持在16%。

2.2 X射线粉末衍射分析

经过相关的数据分析可以表明，CeO2的存在能够有效提高二氧化硅在催化剂表面的分散性。一些科学家提出Ce-SIO2计算机在一定条件之下能够实现完全的转化，比如，当TI/SI的质量比例为3 : 1时，催化剂在一定温度范围之内就能实现氮氧化物的完全转化，出现这种现象的主要原因是由于TiO2和SiO2相互作用能进一步促进催化剂表面的一些物质的相互转化，而且也有利于相应的酸性位数量的增加，出现这种现象更有利于催化剂的脱硝性提高。

除此之外，二氧化硅还可以弱化催化剂表面的碱性，催化剂表面的碱性一旦降低就有助于催化剂的抗硫性能的提高，科学家经过一定的反应数据测试，测定了反应速率常数，并通过相关的化学机理分析，最终证明了在反应物中添加适量的二氧化硅能有效帮助催化剂低温性能的提高。这种新型的发现是目前应用非常广泛的。在这个基础之上，本实验所分析的商用稀土SCR催化剂中含有一定量的二氧化硅，而CeO2的添加更有助于物质在催化剂表面的大幅度分散，而这种分散有利于对催化剂的脱硝性能和水热老化性能进行改变，这些实验结果与最终的活性测试结果是一致的。经过公式计算得到催化剂中不同物质的颗粒含量，从数据分析可以看出，CeO2含量对稀土催化剂的颗粒影响是比较小的，所以，这种物质对于催化剂的晶体结构没有什么大的影响。

2.3 N>2吸附-脱附测试分析

经过相关的实验结果显示，CeO2含量对稀土催化剂的等温吸附曲线基本上没有太大的影响。经过最终的分析说明稀土催化剂具有介孔结构，仪器对于这些介孔分析可以最终看出催化剂在7.4nm数值左右会出现一个分布比较宽泛的峰，其他类型的样品的孔比较大，最终的峰的位置分布比较集中。随着CeO2含量的不断增加，数据分析表明催化剂的比表面积在逐渐减少。但在减少过程中，催化剂表面的孔体积呈现出先增大后减小的趋势。而催化剂的比表面积是影响催化剂活性的一个重要因素之一，本组样品随着比表面积的增加，催化剂的新鲜性能也在不断提高[2]。实验说明适当的比表面积值有利于催化剂水热老化性能的提高，而且孔体积越大越有利于催化剂孔道中各种反应物分子进行各种化学物质反应，有利于催化剂活性的提高。

3 结语

本文详细分析了不同CeO2含量对商用稀土催化剂脱硝性能的影响，最终得到结论：CeO2含量对于催化剂的晶体结构几乎没有什么影响，但却影响催化剂的组织性质，较大的孔体积和适当的比表面积更有利于催化剂发挥作用。所以，在日常应用过程中应合理选择CeO2的含量，使柴油机商用稀土SCR催化剂NH3-SCR的性能维持在最好的状态。