セリウムマンガン触媒における煤燃焼に対する酸素欠損と高分散MnOxの影響

Scientific Reports volume 13、記事番号: 3386 (2023) この記事を引用

646 アクセス

2 オルトメトリック

メトリクスの詳細

セリウムマンガン二元金属触媒は、すす燃焼に対する優れた触媒性能のため、現在の研究の焦点となっています。 2 つのシリーズのセリウムマンガン触媒 (Na を含まない触媒と Na 含有触媒) を共沈法によって調製し、XRD、N2 吸脱着、SEM、ラマン、XPS、H2-TPR、O2-TPD、Soot-TPR-を使用して特性評価しました。 MS および現場 IR。 さまざまな沈殿剤で調製したセリウムマンガン触媒の煤触媒燃焼に対する豊富な酸素空孔と表面に高度に分散したMnOxの影響を分析しました。 活性試験の結果は、セリウムマンガン触媒中の多数の酸素欠損によって放出される活性酸素種は、触媒表面に高度に分散し、低温度で良好な酸化還元性能を有するMnOxよりも、すす触媒燃焼に有利であることを示している。温度。 Naフリー触媒の表面におけるMnOxの触媒効果は触媒とすすの接触状態に大きく依存するため、この現象は密着状態よりも疎接触状態の方が観察されやすい。 活性サイクル試験の結果は、これら 2 つのシリーズの触媒が良好な安定性を示し、繰り返し使用しても触媒の失活がほとんどないことを示しています。

ディーゼルエンジンから排出される煤粒子は、大気汚染や曇りを引き起こすだけでなく、そのサイズが小さいため人間の呼吸器系に容易に侵入し、さらに、それらに吸収される重金属や有機物は重篤な病気を引き起こす可能性があります1、2、3。 最大 90% の濾過効率を持つディーゼル微粒子フィルター (DPF) は、煤の排出を制御する効果的な手段です4。 すすの燃焼の初期温度は 450 °C を超え、バーンアウト温度は 650 °C を超えるため、ディーゼル エンジンの排気温度範囲 (200 ～ 400 °C) 内ではすすの自然燃焼は起こりません。 したがって、すすの燃焼温度を下げ、DPF の受動的再生を促進し、フィルターの圧力を下げるために触媒が必要です5。

現在、市販の煤燃焼触媒には約 0.75 wt% の白金が含まれており、これはフィルターの総コストの 3 分の 1 を占めています6。 したがって、DPF の白金を代替するために、多数の非貴金属触媒 (遷移金属、アルカリ金属、アルカリ土類金属、ペロブスカイト、セリウム複合酸化物触媒など) が広範に研究されてきました。 10、11、12、13。 すす酸化触媒の中でも、セリウムマンガン複合酸化物触媒は、その優れた酸化活性により商品化されている Pt/Al2O3 触媒の代替候補と考えられている6。

希土類元素であるセリウムは、その独特な4f電子層構造により優れた酸素貯蔵・放出能力を持っています。 「活性酸素種のメカニズム」によれば、CeO2 によって放出される活性酸素種は、Ce4+/Ce3+ の可逆変換効率が優れているため、すすの酸化を非常に促進します14,15。 3d軌道が満たされていないため、遷移金属マンガンは多くの価数状態を持ち、異なる価数状態の変換により触媒によるすすの燃焼プロセス中に酸素欠損が形成され、高い触媒活性を示します16。 セリウムマンガン複合酸化物触媒は、上記 2 つの触媒の利点を組み合わせ、すす酸化の触媒活性をさらに向上させることができるため、広く研究されています6。

O2 雰囲気中でのセリウム - マンガン二元金属触媒の接触すす燃焼に関する現在の研究では、主に触媒の固有特性の改善 (活性酸素種の量の増加) と触媒の形態の変化に焦点を当てています。触媒と煤の接触能力。 Mukherjee et al.17 は、CeO2 触媒の煤燃焼に対するさまざまなドープ元素 (希土類金属および遷移金属 Zr、Hf、Fe、Mn、Pr、La) の影響を研究し、Mn をドープした触媒が最高の表面濃度を示すことを発見しました。吸着された酸素種とすべての材料の中で最も緩く結合した格子酸素により、最高の煤酸化活性を示します。 Liang ら 18 は、緩い接触条件下では、MnOx-CeO2 のすす触媒燃焼活性が CuOx-CeO2 よりも高いことを発見しました。これは、CeO2 格子に Mnx+ を添加すると、より多くの酸素空孔の生成が促進され、酸素の吸着が促進されるためです。表面で。 He et al.19 は、異なる遷移金属 Mn、Fe、Co で修飾された Ce0.5Zr0.5O2 触媒を比較し、Mn または Co をドープした Ce0.5Zr0.5O2 触媒の煤触媒活性が、次の理由により Fe をドープしたものよりも優れていることを発見しました。触媒の活性酸素種と格子酸素移動度の増加によるものです。 Wang et al.20 は、水熱法によりメソポーラスナノシート内に MnxCe1-xO2 固溶体を合成しました。 この触媒は、主にその独特なメソポーラスナノシート形状の特徴、高原子価マンガン種、豊富な活性酸素種、および高い酸化還元性能により、優れた煤燃焼性能を有していた。 Zhao ら 21 は、一連の MnOx-CeO2 複合材料を調製し、Mn/(Mn + Ce) が 20 at% のときにすすの触媒活性が最高になることを発見しました。 これは、触媒の多孔質構造が煤粒子のサイズに類似しており、触媒と煤との接触を促進したためである。