ChemCatChem:三金属CeZrNi-MOFs衍生的三元固溶体载体效应对Pd分散稳定性及天然气发动机尾气净化的影响

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桂林理工大学化学与生物工程学院唐富顺老师课题组以CeZrNi-BDC三金属MOFs框架材料为模板通过碳化氧化制备出衍生CeZrNiOx三元固溶体结构复合氧化物,该载体提高了Pd活性组分的热稳定性,明显提高了天然气发动机尾气(NGVs)的低温三效净化性能,为NGVs排放催化剂的开发提供了新策略和方法。



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天然气汽车尾气中不完全燃烧产生的CO、NOx以及过量的甲烷(CH4)会对环境以及人体健康造成影响,三效催化转换器(TWCs)是满足日益严格排放标准的关键技术之一。当前,天然气汽车尾气净化TWCs催化剂主要是以γ-Al2O3为载体、CeZr固溶体及过渡金属为助剂、贵金属Pd和Rh为主要活性组分的担载型催化剂。传统制备TWCs催化剂复合载体的方法主要采用共沉淀法、溶胶凝胶法、柠檬酸络合溶胶法,但制备的商用TWCs催化剂在实际车辆工况运行中其贵金属组分(如Pd)易倾向于聚集(或烧结)生长,这不仅降低催化净化效率也使得量的贵金属使用量更高而致增加催化剂的成本,其中NOx和CH4的T50转化温度较高,低温工况的转化效率较低。


近年来,利用金属有机框架(MOFs)及其衍生物为载体在改善贵金属的高分散性取得了较好的效果,如以Cr-MIL-101为载体负载的Pd催化剂在催化反应过程中Pd颗粒尺寸的分散状态几乎没有变化,MOFs衍生制备的CeO2载体上Pd活性组分的分散老化稳定性优于传统商用CeO2为载体的催化剂。


针对传统方法制备的TWCs钯系催化剂抗烧结问题,桂林理工大学化学与生物工程学院唐富顺老师课题组报道了利用CeZrNi-BDC三金属MOFs框架材料的孔结构特性为模板、经碳化氧化制备出衍生CeZrNiOx复合氧化物载体,该载体具有耐热稳定的固溶体均匀结构和孔结构,以此载体负载制备的Pd系催化剂(Pd/CeZrNiOx-M)经800 ℃热老化8小时后PdO粒径仅从2.0 nm增加到4.5 nm左右,仅为传统柠檬酸溶胶法制备的Pd/CeZrNiOx-C上PdO粒径的1/4,证明了MOFs衍生的方法可以限制PdO NPs的热团聚,并且催化剂老化后分别在410、370和175 ℃实现了CH4、NOx和CO的完全转化,相比柠檬酸溶胶法制备的Pd/CeZrNiOx低约75~110 ℃,相比已报道的TWCs催化剂具有更好的低温净化活性。该工作同时探明了Ni和Pd的协同作用促进了NO和CH4低温共吸附活化从而提高CH4的低温氧化活性,NO与CH4的反应在Pd/ CeZrNiOx -M催化剂上遵循langmurr-hinshelwoo反应机理。研究结果为设计高分散热稳定性TWCs三效催化剂提供了新的思路。

文信息

The carrier effect of ternary solid solution derived by trimetallic CeZrNi MOFs on the Pd dispersion stability for NGVs exhaust purification

Jiahao Yang, Xinyu Yue, Wannian Liao, Xiaxia Wei, Le Ruan, Fushun Tang


ChemCatChem

DOI: 10.1002/cctc.202301106



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