汽車(chē)尾氣催化劑載體用氧化鋁的研制

1、2566 2004年增刊(35卷功 能 材 料汽車(chē)尾氣催化劑載體用氧化鋁的研制陳 瑋1,2,尹周瀾1,馬艷紅2,蔣 覃2(1. 中南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410083;2. 中國(guó)鋁業(yè)股份有限公司 鄭州研究院,河南 鄭州 450041 收稿日期:2004-05-23 通訊作者:陳 瑋 作者簡(jiǎn)介:陳 瑋(1972-,男,河南省新鄉(xiāng)縣人,1995年本科畢業(yè)于中南工業(yè)大學(xué),在讀博士,主要從事化學(xué)品氧化鋁的開(kāi)發(fā)摘 要:主要論述了汽車(chē)尾氣催化劑載體用氧化鋁的制備方法,對(duì)影響汽車(chē)尾氣催化劑載體用氧化鋁性能的因素進(jìn)行了探討。溫度是影響汽車(chē)尾氣催化劑載體用氧化鋁相態(tài)及比表面積最重要的影響因素;900為

2、最佳的焙燒溫度,900焙燒后,氧化鋁的相態(tài)為-Al 2O 3;在焙燒的過(guò)程中加入合理的添加劑,可以提高氧化鋁的比表面積及熱穩(wěn)定性。 關(guān)鍵詞:汽車(chē)尾氣;催化劑載體;氧化鋁中圖分類(lèi)號(hào):TQ426.65 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1001-9731(2004增刊1 引 言汽車(chē)尾氣所排放的主要污染物為:CO 、NO x 、C x H y 和Pb 等,NO x 和碳?xì)浠衔锸軓?qiáng)紫外線照射后,還會(huì)產(chǎn)生新的二次污染光化學(xué)煙霧,這些污染物對(duì)人體和動(dòng)植物都非常有害。中國(guó)汽車(chē)保有量雖不及世界先進(jìn)國(guó)家,但由于發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量差,單車(chē)排放污染物比國(guó)外先進(jìn)機(jī)動(dòng)車(chē)高310倍。因此一些大城市如北京、上海、廣州等地,機(jī)動(dòng)車(chē)排氣污染

3、量已接近甚至超過(guò)國(guó)外一些大城市。而且,隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平的提高,人均擁有汽車(chē)的數(shù)量在未來(lái)的幾年內(nèi)肯定會(huì)大幅增加,隨之而來(lái)的環(huán)境問(wèn)題也將日益嚴(yán)重。因此,汽車(chē)尾氣的治理,是關(guān)系到我國(guó)城市品位及人民身體健康的重大問(wèn)題,應(yīng)該提前治理,防患于未然。氧化鋁由于具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性,低溫氧化鋁具有較大的比表面積,優(yōu)良的機(jī)械性能、良好的耐熱震性能等優(yōu)點(diǎn),而廣泛應(yīng)用于催化劑載體。由氧化鋁所制備的第一代汽車(chē)尾氣催化劑載體是將活性氧化鋁制備成球狀或丸狀的小顆粒,然后在這些小顆粒的毛細(xì)孔中吸附一些貴重金屬,從而起到催化作用。由于工藝本身的原因,第一代催化劑的成本較高,同時(shí)也給汽車(chē)帶來(lái)一些負(fù)面影響,如汽車(chē)尾氣排放不暢

4、,影響動(dòng)力,使用周期短等。第二代產(chǎn)品是將吸附有貴重金屬的活性氧化鋁涂附于堇青石蜂窩陶瓷表面,從而制備出性能優(yōu)良的汽車(chē)尾氣催化劑載體。這種催化劑載體對(duì)汽車(chē)尾氣排放所造成的壓力大為減小,安裝簡(jiǎn)潔方便,只須在原有排氣管的基礎(chǔ)上稍加改進(jìn)即可,同時(shí)不影響汽車(chē)本身的使用性能和燃料損耗。本文將就汽車(chē)尾氣催化劑載體用氧化鋁制備過(guò)程中所涉及的一些問(wèn)題進(jìn)行討論。2 實(shí) 驗(yàn)將添加劑與擬薄水鋁石混合后,控制一定的溫度制度焙燒;掃描電子顯微鏡測(cè)定氧化鋁晶體形貌,X-ray 測(cè)定氧化鋁晶體相態(tài),自動(dòng)吸附儀測(cè)定比表面積及孔徑分布。然后和Pt 、稀土氧化物(如CeO 等催化劑主體混合研磨,涂附于堇青石蜂窩陶瓷表面,進(jìn)行車(chē)駕實(shí)

5、驗(yàn),測(cè)定CO 起燃溫度等多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。3 結(jié)果與討論3.1 焙燒溫度對(duì)氧化鋁吸水率及比表面積的影響不同焙燒溫度下活性氧化鋁比表面積及吸水率的變化如圖1所示:圖1 焙燒溫度對(duì)氧化鋁飽和吸水率和比表面積的影響 Fig 1 Influence of sintering temperature to the waterabsorption and specific area陳 瑋 等:汽車(chē)尾氣催化劑載體用氧化鋁的研制 2567 從圖1可以看出,焙燒后的氧化鋁的吸水率在400達(dá)到最大(約40%,在400900之間緩慢減少,在10001100之間急速下降。在1200時(shí),吸水率很小(約1%,而比表面積的變化

6、與吸水率稍有不同,比表面積在500達(dá)到最大,這是因?yàn)樵?00焙燒的活性氧化鋁時(shí)可以與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)(3-1;氧化鋁在10001100之間發(fā)生相轉(zhuǎn)變,轉(zhuǎn)變?yōu)橄?因此比表面積和吸水率都急劇下降。汽車(chē)尾氣的出口溫度大致在800900左右,汽車(chē)尾氣催化劑載體用氧化鋁的焙燒溫度最好略高于其使用溫度,因此選用900作為焙燒溫度,以保證其使用時(shí)的連續(xù)穩(wěn)定性。Al 2O 3 + 3H 2O = 2Al(OH3 (3-13.2 添加劑對(duì)氧化鋁性能的影響表1為幾種添加劑對(duì)氧化鋁性能的影響表1 添加劑對(duì)氧化鋁性能的影響Table 1 Influence of additives tob the performanc

7、e ofalumina添加劑A B C A+B B+C A+C A+B+C 從表1可以看出,A 、B 、A +B 、A +B+C 幾種添加劑加入方式中,吸水率和比表面積相對(duì)于不加任何添加劑的情況有所減小,而在加入C 、B +C 、A +C 幾種添加劑后,吸水率和比表面積相對(duì)于不加任何添加劑的情況有所增加;在熱穩(wěn)定性方面,不加添加劑及加入A 后,熱穩(wěn)定性較差,加入C 、A +B 、A +C 、A +B +C 幾種添加劑后,熱穩(wěn)定性一般;加入B 及B +C 后,熱穩(wěn)定性較好。綜合以上比較加入B +C 復(fù)合添加劑后,不但吸水率和比表面積有所增加,而且熱穩(wěn)定性較好。 3.3晶體相態(tài)分析圖 2為900焙

8、燒后氧化鋁的X-ray 分析圖,其中為-Al 2O 3 的特征峰,從圖中可以看出,雜相很少。因此,在900焙燒后,氧化鋁主要形態(tài)為-氧化鋁。圖2 衍射分析圖Fig 2 SEM analysis (6000 times3.4 晶體形貌分析圖3和圖4為氧化鋁的掃描電子顯微圖片,從電子掃描電子顯微鏡圖上可以看出,這種氧化鋁的晶體發(fā)育不是十分完整,它的二次晶粒是由大量微小的一次晶粒團(tuán)聚而成。圖3 放大6000倍的SEM Fig 3 SEM analysis (60000 times圖4 放大20000倍的SEM 圖 Fig 4 SEManalysis(20000 times3.5 孔徑分布氧化鋁孔徑分

9、布如圖5所示,從圖上可以看出,此氧化鋁的孔徑分布范圍較窄,絕大部分孔徑分布于2050nm 之間,其最可幾孔徑為39.25nm ,平均孔徑為33.94nm ,平均孔徑與最可幾孔徑接近,這也說(shuō)明孔徑分布范圍窄而集中。圖5 孔徑分布圖 Fig 5 Aperture distribution2568 2004年增刊(35卷功能材料3.6 綜合性能測(cè)試綜合性能測(cè)試見(jiàn)表2,Zq是我們所制備的室樣品,JK為進(jìn)口氧化鋁。表2 綜合性能測(cè)試Table 2 Combination property test chart性能Zq JK 初始比表面積(m2/g138.8 140 改性后比表面積(m2/g137.5 1

10、38.1 老化后比表面積(m2/g85.4 85.8 CO的起燃溫度(215 220 Al2O3涂層粘結(jié)強(qiáng)度脫落率(% 1.49 1.50 從表2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看,我們所做的氧化鋁在比表面積上與國(guó)外氧化鋁稍有差異,而在CO起燃溫度方面已不相上下,在粘結(jié)強(qiáng)度方面,與進(jìn)口料大致相當(dāng)。4 結(jié)論(1汽車(chē)尾氣催化劑載體用氧化鋁的適宜形態(tài)為過(guò)渡相氧化鋁,為-Al2O3。(2汽車(chē)尾氣催化劑載體用氧化鋁焙燒溫度應(yīng)等于或高于汽車(chē)使用的溫度條件,但不宜超過(guò)1100,當(dāng)溫度高于1100時(shí),氧化鋁發(fā)生相轉(zhuǎn)變,由-Al2O3變?yōu)?Al2O3,超過(guò)該溫度之后,其比表面積急驟下降,影響其使用性能。(3采用合理的添加劑可以改善

11、氧化鋁的比表面積及熱穩(wěn)定性,選用B+C復(fù)合添加劑后,不但吸水率和比表面積有所增加,而且熱穩(wěn)定性較好。參考文獻(xiàn):1 楊重愚. 氧化鋁生產(chǎn)工藝學(xué) M. 北京: 冶金工業(yè)出版社,1993, 10.2 查納約. 密斯羅, 王學(xué)詩(shī), 樊波平. 工業(yè)氧化鋁化學(xué)制品M. 山西鋁廠內(nèi)部資料, 1989.7.3 蔡勝有, 黃勇. A1203基涂層技術(shù)在汽車(chē)尾氣催化凈化裝置中的應(yīng)用與開(kāi)發(fā) J. 功能材料, 1998, 29(3: 225-228 .4 屠兢, 伏義路, 林培琰. Pt/Y-A1203在三效催化劑中Ce02助劑的作用 J. 催化學(xué)報(bào), 2001, 22(7: 390-396.5 田東旭, 王浩靜,

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13、-lan1, MA Yan-hong2,JIANG Tan2(1. Center South University School of Chemistry and Chemical Engineering, Changsha 410083, China;2. Zhengzhou Research Institute Aluminum Corperation of China Limted, Zhengzhou 450041, China Abstract:A special alumina applying for catalyst substrate in automobile exhaust had been studied. some influence factor to this alumina, such as temperature, additives etc, had been studied too. It concluded that temperature is the major factor influencing on alumina's specific area and phase. The best calcinations tempera