کاربرد نانو اکسید عناصر کمیاب در اگزوز خودرو

همانطور که همه ما می‌دانیم، مواد معدنی عناصر خاکی کمیاب در چین عمدتاً از اجزای سبک عناصر خاکی کمیاب تشکیل شده‌اند که لانتانیم و سریم بیش از 60 درصد از آنها را تشکیل می‌دهند. با گسترش مواد آهنربای دائمی عناصر خاکی کمیاب، مواد لومینسانس عناصر خاکی کمیاب، پودر صیقل‌دهنده عناصر خاکی کمیاب و عناصر خاکی کمیاب در صنعت متالورژی در چین سال به سال، تقاضا برای عناصر خاکی کمیاب متوسط ​​و سنگین در بازار داخلی نیز به سرعت در حال افزایش است. این امر باعث انباشت زیادی از عناصر خاکی کمیاب سبک با فراوانی بالا مانند Ce، La و Pr شده است که منجر به عدم تعادل جدی بین بهره‌برداری و کاربرد منابع خاکی کمیاب در چین می‌شود. مشخص شده است که عناصر خاکی کمیاب سبک به دلیل ساختار منحصر به فرد پوسته الکترونی 4f خود، عملکرد و اثربخشی کاتالیزوری خوبی در فرآیند واکنش شیمیایی نشان می‌دهند. بنابراین، استفاده از عناصر خاکی کمیاب سبک به عنوان ماده کاتالیزوری، راهی خوب برای استفاده جامع از منابع خاکی کمیاب است. کاتالیزور نوعی ماده است که می‌تواند واکنش شیمیایی را تسریع کند و قبل و بعد از واکنش مصرف نمی‌شود. تقویت تحقیقات پایه در زمینه کاتالیز عناصر خاکی کمیاب نه تنها می‌تواند راندمان تولید را بهبود بخشد، بلکه می‌تواند در منابع و انرژی صرفه‌جویی کرده و آلودگی محیط زیست را کاهش دهد که این امر با جهت‌گیری استراتژیک توسعه پایدار همسو است.

چرا عناصر خاکی کمیاب فعالیت کاتالیزوری دارند؟

عناصر خاکی کمیاب دارای ساختار الکترونیکی بیرونی ویژه‌ای (4f) هستند که به عنوان اتم مرکزی کمپلکس عمل می‌کند و اعداد کئوردیناسیون مختلفی از 6 تا 12 دارد. تغییرپذیری عدد کئوردیناسیون عناصر خاکی کمیاب، وجود "ظرفیت باقیمانده" را در آنها مشخص می‌کند. از آنجا که 4f دارای هفت اوربیتال الکترونی ظرفیت پشتیبان با قابلیت پیوند است، نقش "پیوند شیمیایی پشتیبان" یا "ظرفیت باقیمانده" را ایفا می‌کند. این قابلیت برای یک کاتالیزور رسمی ضروری است. بنابراین، عناصر خاکی کمیاب نه تنها فعالیت کاتالیزوری دارند، بلکه می‌توانند به عنوان افزودنی یا کمک کاتالیزور برای بهبود عملکرد کاتالیزوری کاتالیزورها، به ویژه قابلیت ضد پیری و قابلیت ضد مسمومیت، نیز مورد استفاده قرار گیرند.

در حال حاضر، نقش نانو اکسید سریم و نانو اکسید لانتانیم در تصفیه گازهای خروجی خودرو مورد توجه جدیدی قرار گرفته است.

اجزای مضر در اگزوز خودرو عمدتاً شامل CO، HC و NOx هستند. عنصر خاکی کمیاب مورد استفاده در کاتالیزور تصفیه اگزوز خودرو عمدتاً ترکیبی از اکسید سریم، اکسید پراسئودیمیوم و اکسید لانتانیم است. کاتالیزور تصفیه اگزوز خودرو از اکسیدهای پیچیده عناصر خاکی کمیاب و کبالت، منگنز و سرب تشکیل شده است. این کاتالیزور نوعی کاتالیزور سه‌تایی با ساختار و نوع پروسکایت و اسپینل است که در آن اکسید سریم جزء کلیدی است. با توجه به ویژگی‌های اکسایش-کاهش اکسید سریم، اجزای گاز خروجی را می‌توان به طور مؤثر کنترل کرد.

کاتالیزور تصفیه اگزوز خودرو عمدتاً از حامل سرامیکی (یا فلزی) لانه زنبوری و پوشش فعال سطحی تشکیل شده است. پوشش فعال از γ-Al2O3 با مساحت بزرگ، مقدار مناسبی اکسید برای تثبیت مساحت سطح و فلز فعال کاتالیزوری پراکنده در پوشش تشکیل شده است. برای کاهش مصرف pt و RH گران قیمت، افزایش مصرف Pd ارزان تر و کاهش هزینه کاتالیزور، با فرض عدم کاهش عملکرد کاتالیزور تصفیه اگزوز خودرو، مقدار مشخصی از CeO2 و La2O3 معمولاً به پوشش فعال کاتالیزور سه تایی Pt-Pd-Rh که معمولاً استفاده می‌شود، اضافه می‌شود تا یک کاتالیزور سه تایی فلزات گرانبهای خاکی کمیاب با اثر کاتالیزوری عالی تشکیل شود. La2O3(UG-La01) و CeO2 به عنوان ارتقا دهنده برای بهبود عملکرد کاتالیزورهای فلز نجیب با پایه γ-Al2O3 استفاده شدند. طبق تحقیقات، CeO2، مکانیسم اصلی La2O3 در کاتالیزورهای فلز نجیب به شرح زیر است:

۱. فعالیت کاتالیزوری پوشش فعال را با افزودن CeO2 بهبود بخشید تا ذرات فلز گرانبها در پوشش فعال پراکنده بمانند، به طوری که از کاهش نقاط شبکه کاتالیزوری و آسیب به فعالیت ناشی از پخت جلوگیری شود. افزودن CeO2(UG-Ce01) به Pt/γ-Al2O3 می‌تواند روی γ-Al2O3 به صورت یک لایه پراکنده شود (حداکثر مقدار پراکندگی تک لایه 0.035 گرم CeO2/g γ-Al2O3 است)، که خواص سطحی γ-Al2O3 را تغییر داده و درجه پراکندگی Pt را بهبود می‌بخشد. هنگامی که محتوای CeO2 برابر یا نزدیک به آستانه پراکندگی باشد، درجه پراکندگی Pt به بالاترین حد خود می‌رسد. آستانه پراکندگی CeO2 بهترین دوز CeO2 است. در اتمسفر اکسیداسیون بالای ۶۰۰ درجه سانتیگراد، Rh به دلیل تشکیل محلول جامد بین Rh2O3 و Al2O3، فعالیت خود را از دست می‌دهد. وجود CeO2 واکنش بین Rh و Al2O3 را تضعیف کرده و فعال‌سازی Rh را حفظ می‌کند. La2O3(UG-La01) همچنین می‌تواند از رشد ذرات بسیار ریز Pt جلوگیری کند. با افزودن CeO2 و La2O3(UG-La01) به Pd/γ 2al2o3، مشخص شد که افزودن CeO2 پراکندگی Pd روی حامل را افزایش داده و باعث کاهش هم‌افزایی می‌شود. پراکندگی بالای Pd و برهمکنش آن با CeO2 روی Pd/γ2Al2O3 کلید فعالیت بالای کاتالیزور است.

۲. نسبت هوا به سوخت تنظیم‌شده خودکار (aπ f) هنگامی که دمای شروع خودرو افزایش می‌یابد، یا هنگامی که حالت رانندگی و سرعت تغییر می‌کند، سرعت جریان اگزوز و ترکیب گاز خروجی تغییر می‌کند، که باعث می‌شود شرایط کار کاتالیزور تصفیه گاز خروجی خودرو دائماً تغییر کند و بر عملکرد کاتالیزوری آن تأثیر بگذارد. لازم است نسبت سوخت π هوا به نسبت استوکیومتری ۱۴۱۵ تا ۱۴۱۶ تنظیم شود تا کاتالیزور بتواند عملکرد تصفیه خود را به طور کامل انجام دهد. CeO2 یک اکسید با ظرفیت متغیر (Ce4 +ΠCe3+) است که دارای خواص نیمه‌هادی نوع N است و ظرفیت ذخیره‌سازی و آزادسازی اکسیژن بسیار خوبی دارد. هنگامی که نسبت Aπ F تغییر می‌کند، CeO2 می‌تواند نقش بسیار خوبی در تنظیم پویای نسبت هوا به سوخت ایفا کند. یعنی O2 هنگامی که سوخت اضافی است آزاد می‌شود تا به اکسیداسیون CO و هیدروکربن کمک کند. در صورت وجود هوای اضافی، CeO2-x نقش کاهنده ایفا می‌کند و با NOx واکنش می‌دهد تا NOx را از گاز خروجی حذف کند و CeO2 را به دست آورد.

۳. اثر کمک کاتالیزور وقتی مخلوط aπ f با نسبت استوکیومتری باشد، علاوه بر واکنش اکسیداسیون H2، CO، HC و واکنش کاهش NOx، CeO2 به عنوان کمک کاتالیزور می‌تواند مهاجرت گاز آب و واکنش اصلاح بخار را نیز تسریع کرده و محتوای CO و HC را کاهش دهد. La2O3 می‌تواند نرخ تبدیل را در واکنش مهاجرت گاز آب و واکنش اصلاح بخار هیدروکربن بهبود بخشد. هیدروژن تولید شده برای کاهش NOx مفید است. با افزودن La2O3 به Pd/CeO2-γ-Al2O3 برای تجزیه متانول، مشخص شد که افزودن La2O3 تشکیل دی متیل اتر محصول جانبی را مهار کرده و فعالیت کاتالیزوری کاتالیزور را بهبود می‌بخشد. هنگامی که محتوای La2O3 10٪ باشد، کاتالیزور فعالیت خوبی دارد و تبدیل متانول به حداکثر (حدود 91.4٪) می‌رسد. این نشان می‌دهد که La2O3 پراکندگی خوبی روی حامل γ-Al2O3 دارد. علاوه بر این، پراکندگی CeO2 روی حامل γ2Al2O3 و کاهش اکسیژن حجمی را افزایش داد، پراکندگی Pd را بیشتر بهبود بخشید و برهمکنش بین Pd و CeO2 را بیشتر افزایش داد، در نتیجه فعالیت کاتالیزوری کاتالیزور برای تجزیه متانول را بهبود بخشید.

با توجه به ویژگی‌های فعلی فرآیند حفاظت از محیط زیست و بهره‌برداری از انرژی‌های نو، چین باید مواد کاتالیزوری عناصر خاکی کمیاب با عملکرد بالا و حقوق مالکیت معنوی مستقل را توسعه دهد، به بهره‌برداری کارآمد از منابع عناصر خاکی کمیاب دست یابد، نوآوری‌های فناورانه در مواد کاتالیزوری عناصر خاکی کمیاب را ارتقا دهد و توسعه جهشی خوشه‌های صنعتی مرتبط با فناوری پیشرفته مانند عناصر خاکی کمیاب، محیط زیست و انرژی‌های نو را محقق سازد.

در حال حاضر، محصولات عرضه شده توسط این شرکت شامل نانو زیرکونیا، نانو تیتانیا، نانو آلومینا، نانو هیدروکسید آلومینیوم، نانو اکسید روی، نانو اکسید سیلیکون، نانو اکسید منیزیم، نانو هیدروکسید منیزیم، نانو اکسید مس، نانو اکسید ایتریم، نانو اکسید سریم، نانو اکسید لانتانیم، نانو تری اکسید تنگستن، نانو اکسید فروفریک، نانو عامل ضد باکتری و گرافن است. کیفیت محصول پایدار است و توسط شرکت‌های چند ملیتی به صورت دسته‌ای خریداری شده است.

تلفن: 86-021-20970332, Email:sales@shxlchem.com