柴油车尾气净化催化剂制备、表征及性能测试

预习报告

柴油车尾气净化催化剂制备、表征

及性能测试

学院：化学化工学院

专业：精细化工

班级：08级

姓名：赖家雄

学号：0813020060

指导教师：梁红老师

1.机动车尾气对环境的危害

1.1机动车尾气有害物质

一氧化碳(CO) ；碳氢化合物(HC) ；氮氧化合物(NO

x

) ；微粒(PM）碳黑颗粒

因为尾气中O

2含量较高，而PM的排放量约为汽油机的几十倍。因此,降低NO

x

和

PM排放是柴油机车尾气催化净化的主要课题。

1.2 直接危害

直接危害：科学分析表明，汽车尾气中含有上百种不同的化合物，其中的污染物有固体悬浮微粒、一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物及硫氧化合物等。

固体悬浮颗粒：固体悬浮颗粒随呼吸进人人体肺部，以碰撞、扩散、沉积等方式滞留在呼吸道的不同部位，引起呼吸系统疾病。当悬浮颗粒积累到临界浓度时，便会激发形成恶性肿瘤。此外，悬浮颗粒物还能直接接触皮肤和眼睛，阻塞皮肤的毛囊和汗腺，引起皮肤炎和眼结膜炎，甚至造成角膜损伤。

一氧化碳：一氧化碳与血液中的血红蛋白结合的速度比氧气快250倍。一氧化碳经呼吸道进入血液循环，与血红蛋白亲合后生成碳氧血红蛋白，从而削弱血液向各组织输送氧的功能，危害中枢神经系统，造成人的感觉、反应、理解、记忆力等机能障碍，重者危害血液循环系统，导致生命危险。

氮氧化物：氮氧化物主要是指一氧化氮、二氧化氮，它们都是对人体有害的气体，特别是对呼吸系统有危害。在二氧化氮浓度为9 .4毫克／立方米的空气中暴露10分钟，即可造成人的呼吸系统功能失调。

碳氢化合物：当氮氧化物和碳氢化合物在太阳紫外线的作用下，会产生一种具有刺激性的浅蓝色烟雾，其中包含有臭氧、醛类、硝酸脂类等多种复杂化合物。这种光化学烟雾对人体最突出的危害是刺激眼睛和上呼吸道黏膜，引起眼睛红肿和喉炎。

1.2 间接危害

间接危害：尾气在直接危害人体健康的同时，还会对人类生活的环境产生深远影响。尾气中的二氧化硫具有强烈的刺激气味，达到一定浓度时容易导致“酸雨”的发生，造成土壤和水源酸化，影响农作物和森林的生长。

2.柴油车尾气形成机理

柴油车燃料混合气的形成是在发动机燃烧室内进行的，柴油高压喷入燃烧室，压缩着火后进行边喷边燃烧的扩散燃烧方式。这种工作方式，决定了柴油与空气的混合是不均匀的，不可避免地存在局部缺氧或局部富氧情况。

油料在高温缺氧时，易炭化形成碳烟。柴油车负荷的调节是通过改变喷油量来控制的。柴油车混合气始终处于比较稀的状态下，也就是说柴油机的燃烧室内始终存在富余的空气。这些富余的空气在高温作用下容易产生氮氧化物（NOx），而一氧化碳（CO）和碳氢化合物（HC）则不容易形成。因此，柴油车排放特点是颗粒物和氮氧化物（NOx）排放量多而一氧化碳（CO）和碳氢化合物（HC）排放量少。

在燃料燃烧转换过程中，以空气作为氧化剂，在尾气中除了两种最终氧化物（CO

2

和H

2O）外，还有CO、未燃尽的碳氢化合物（H

k

C

i

）以及高温时燃烧产生的NO

X

等有害

气体。燃油在汽缸里燃烧的机理，可粗略地用如下反应式表达：

3. 柴油车尾气处理进展

目前，虽然柴油车制造厂采取了一系列机内净化技术措施，但是NO

x

和PM的排放

问题无法得到彻底解决。因此，必须采取机外净化措施，也就是采用更为有效的柴油车排气后处理措施，以满足日益严厉的柴油车排放法规和标准。柴油机机外净化技术

一般分为两类，分别是排气后NO

x

处理技术和排气后PM处理技术。除此之外，近来人

们还进行探索开发能够同时处理NO

x

和PM的技术。

3.1排气后NO

x

处理技术

排气后NO

x 处理技术主要包括：选择性催化还原NO

x

技术(SCR )、等离子辅助催化

还原技术、氧化催化转化器稀NO

x 技术非选择性催化还原NO

x

(NSCR系统)、NO

x

吸附催

化剂技术等。

SCR技术用于降低NO

x

的排放，转化效率高达90％。该技术的缺点在于尿素需要定时填充来维持正常工作，且选择催化转化器的体积大、成本高，需要动态计量控制

还原剂，在低负荷时，由于废气温度较低，催化效率下降。另外，需要高流量的氨气

才能使NO

x

转化效率最高。

此外，目前等离子体技术研究的重点已用于NO

x

处理，在稀燃排气中等离子放电主

要是氧化反应，单独用等离子体对NO

x

还原没有效果，但当将等离子体与催化剂结合，

等离子体增强了催化剂的选择性，对柴油机排气中的NO

x

和碳颗粒都有很好的净化效果。另一优点是对燃料含硫量几乎没有要求，可以在相对低的温度下运行。

3.2 排气后PM处理技术

目前用于柴油车颗粒物PM排放治理的产品，主要为微粒过滤DPF (diesel particu late filter)装置和POC( 颗粒氧化催化转化器)。

3.2.1柴油机微粒过滤器(DPF)

柴油机微粒过滤器的工作主体是滤芯，常用的过滤材料有：泡沫陶瓷、壁流式蜂窝陶瓷、金属丝网、陶瓷纤维等。滤芯决定过滤器的过滤效率、工作可靠性、使用寿命以及再生技术的使用和再生效果。滤芯应满足较高的性能指标：具有较高的过滤效率，具有大的过滤面积、耐热冲击性好、较强的机械性能指标、热稳定性好及能承受较高的热负荷、较小的热膨胀系数，在外形尺寸相同的情况下背压小，背压增长率低，适应再生能力强，质量轻。柴油机DPF主要分为陶瓷微粒过滤器和袋滤器两种。

3.2.2 POC( 颗粒氧化催化转化器)

最近出现的POC(颗粒氧化催化转化器) 是一种全新的柴油机后处理设计理念，在欧洲是为欧Ⅳ、欧V阶段设计的，它可以捕捉并氧化部分颗粒物。其结构是使废气通过一个多褶皱而不堵塞的通道，它可以降低颗粒物中可挥发的有机成分，对颗粒物的转化效率可达到60％以上。除此之外，POC与其它后处理系统配合使用，可将90％以

上的CO和HC转化成H

2O和CO

2

。POC 对颗粒物的转化效率较低，但与颗粒捕捉器相比，

具有成本低、无需复杂的标定过程、开发周期短、可靠性好等优点。

3.3 同时处理NO

X

和PM的技术

柴油机排气中的有害排放物NO

X

和微粒PM对于人类具有很大的危害性，必须采取

相应的措施对其加以控制。微粒的生成条件是高温缺氧，NO

X

的生成条件是高温富氧二

者的生成规律不同而又相互矛盾，此即NO

X

和微粒的折衷曲线。针对这一缺点，开发了

PM过滤及NO还原技术、四效催化技术、多段处理去除PM和NO

X

、双床催化技术等希

望能像汽油车三效催化剂一样，以微粒和NO

X

互为氧化剂和还原剂，同时去除CO、HC、

PM和NO

X

，从而找到一种较为理想的柴油车尾气净化催化方法。

3.3.1 PM过滤及NO

X

还原技术

丰田GENESIS研究所最近开发了一种柴油发动机PM过滤及NO

X

还原处理技术

(Diesel Particleand Nitrogenoxides Reduction，DPNR)。此系统将NO

X

吸附与PM

过滤有机结合在一起，可同时对柴油车排气中所含PM和NO

X

进行同期连续净化。多孔陶瓷捕集器载体上涂有用于稀薄燃烧的吸附还原型三效催化剂。在稀燃条件下，PM被

捕集，NO

X 被吸附到催化剂上。采用推迟喷油定时产生了更多的碳氢化合物，促使NO

X

还原为 N

2，定时解析出的活性 0

2

也促进了PM的氧化，从而降低了PM的排放。该技

术需外加燃油，且控制复杂。

3.3.2四效(4 way)催化

四效(4 way)催化是利用C，CO和HC作为还原剂，在同一块催化剂时对NO

X

进行催

化还原，从而达到同时净化微粒、CO、HC和NO

X

的目的。其所谓的四效催化的概念是

指，催化转化器能比较理想地净化柴油机排气中的NO

X

、CO、HC和PM中的有机溶剂可溶成分的柴油机用催化转化器，由于其不能真正去除碳黑，算不上真正意义上的四效

催化剂。其主要是通过吸附存储NO

X

，然后在富HC的情况下进行还原反应。在以碱或

碱土类金属等为吸附材料吸收NO

X

以进行还原反应。为使还原反应能顺利进行，必须提供过量的燃料。燃料过多会出现排烟多、PM增加和浪费燃油。除此外，由于轻柴油中

的硫含量比汽油高，吸附的NO

X 中还有部分与排气中的SO

2

反应，生成稳定性强的硫酸

盐，实际上起到了减少吸附NO

X

量的作用，也就是降低了吸附而通过供给过量燃料来提供HC量，也会造成燃料浪费。

4.固体催化剂的制备

4.1催化剂制备方法的选择

固体催化剂在催化反应条件下要求本身不发生状态变化。因此就定了它如下的制

作方法：

4.2常用制备方法

4.2.1 浸渍法

将载体置于含有活性组分的溶液中浸泡，达到平衡后将剩余液体除去（或将溶液全部浸入固体），再经干燥、煅烧、活化，即得催化剂。浸渍溶液中所含的活性组分，应具有溶解度大、结构稳定和受热分解为稳定化合物的特点，如硝酸盐、乙胺盐、胺盐等。

浸渍法基本原理为：当多孔载体与溶液接触时，由于表面张力作用而产生的毛细管压力，使溶液进入毛细管内部，然后溶液中的活性组分再在细孔内表面吸附。

浸渍条件的影响：

影响浸渍效果的因素主要是浸渍液的性质、载体的特性和浸渍条件等。浸渍过程有溶液的浸透、溶质的吸附、溶质与载体的反应、溶质的迁移等现象的发生。

（1）浸渍时间

当浸渍溶液与孔性载体接触时，溶液渗透推动力为：

渗透时间与渗透距离的关系： 值得注意的是：浸渍时间不等于渗透时间。如果载体对溶质没有吸附作用，负载全靠溶质浓缩结晶沉积，则可认为渗透时间等于浸渍时间；如果有吸附作用，要使溶质在载体表面分散均匀，溶质必须在孔内建立吸附平衡，这需要一段比渗透时间唱得多的浸渍时间。

（2）浸渍液浓度

浸渍液浓度越大，吸附的活性组分就越高。 （3）浸渍前载体状态

在浸渍前，将载体干燥或润湿会产生不同的浸渍效果。在同样浓度的浸渍液条件

r

P ?σcos 2=?r

x t 22?

=ση

下，干燥载体内浸渍组分的分布比湿载体时均匀。

（4）活性组分分布对催化活性影响

均匀型催化剂蛋壳型催化剂蛋白型催化剂蛋黄型催化剂当催化剂颗粒的内扩散阻力大的时候，反应优先在外表面附近发生，把活性组分负载在外表面附近可以有效利用活性组分。

对于正级数反应，蛋壳型催化剂效率因子最高；而对于负级数反应，蛋黄型较好，因为扩散阻力增大了反应速率。

当反应物中含有微量毒物，易在催化剂上沉积，沉积是从外表面开始发生，使用蛋白型催化剂就可以保护活性组分不中毒，可延长使用寿命。

4.2.2共沉淀法

沉淀法通常是在溶液状态下将不同化学成分的物质混合,在混合液中加人适当的

沉淀剂制备前驱体沉淀物,再将沉淀物进行干燥或锻烧,从而制得相应的粉体颗粒.根

据沉淀方式的不同,其可分为:直接沉淀法,共沉淀法,均相沉淀法和水解沉淀法等.

共沉淀法的控制因素：

（1）沉淀剂的选择

1）尽可能使用易分解并含易挥发成分的沉淀剂。常用沉淀剂有氨气、氨水和铵盐，还有二氧化碳和碳酸盐和碱类以及尿素等。最常用的沉淀剂是氢氧化铵和碳酸铵等；

2）形成的沉淀物必须便于过滤和洗涤。盐类沉淀剂原则上可以形成晶形沉淀，而碱类沉淀剂都会生成非晶形沉淀；

3）沉淀剂的溶解度要大一些；

4）沉淀剂不应造成环境污染。

（2）溶液浓度的影响

溶液中生成沉淀的首要条件之一是其浓度超过饱和浓度。溶液浓度对沉淀过程的影响表现在对晶核的生成和晶核生长的影响。

（3）沉淀温度

当溶液中溶质数量一定时，温度高则过饱和度降低，使晶核生成的速率减小；温度低使溶液过饱和浓度增大，使晶核生成速率提高。一般温度与晶核生成速率关系曲线存在极大值。

晶核生成速率最大对应的温度低于晶核生长速率最大对应的温度，所以低温一般得到小颗粒。

（4）加料顺序

加料顺序对沉淀物性质有较大影响。正加法：将沉淀剂加到金属盐类溶液中；倒加法：将盐类溶液加到沉淀剂中。

加料顺序通过溶液pH值的变化而影响沉淀物的性质，通过影响沉淀物的结构而改变催化剂的活性，还影响粒径的分布。

（5）pH值

沉淀法常用碱性物质作沉淀剂，沉淀物的生成在相当大的程度上受pH值的影响。（6）沉淀与母液的分离

（7）晶形沉淀与非晶形沉淀的形成条件

4.2.3溶胶－凝胶法

溶胶－凝胶法就是用含高化学活性组分的化合物作前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。

溶胶－凝胶法的化学过程首先是将原料分散在溶剂中，然后经过水解反应生成活性单体，活性单体进行聚合，开始成为溶胶，进而生成具有一定空间结构的凝胶，经过干燥和热处理制备出纳米粒子和所需要材料。

其最基本的反应是：

（1）水解反应：M(OR)

n + H

2

O → M (OH)

x

(OR)

n

－x + xROH

（2）聚合反应：－M－OH + HO－M－→－M－O－M－+H

2

O

－M－OR + HO－M－→－M－O－M－+ROH

溶胶－凝胶法与其它方法相比具有许多独特的优点：

（1）由于溶胶－凝胶法中所用的原料首先被分散到溶剂中而形成低粘度的溶液，因此，就可以在很短的时间内获得分子水平的均匀性，在形成凝胶时，反应物之间很

可能是在分子水平上被均匀地混合。

（2）由于经过溶液反应步骤，那么就很容易均匀定量地掺入一些微量元素，实现分子水平上的均匀掺杂。

（3）与固相反应相比，化学反应将容易进行，而且仅需要较低的合成温度，一般认为溶胶一凝胶体系中组分的扩散在纳米范围内，而固相反应时组分扩散是在微米范围内，因此反应容易进行，温度较低。

（4）选择合适的条件可以制备各种新型材料。 溶胶一凝胶法也存在某些问题：

通常整个溶胶－凝胶过程所需时间较长（主要指陈化时间），常需要几天或者几周；还有就是凝胶中存在大量微孔，在干燥过程中又将会逸出许多气体及有机物，并产生收缩。

5.氧化铝各种晶相的介绍

氧化铝（氧化铝）是各种氧化铝水合物经热分解的脱水产物。它们形成一系列的同质异晶体，有些呈分散相，有些呈过渡态，但当加热温度超过1000℃时，它们双都转变成同一种稳定的最终产物，真正的无水氧化铝，即a-Al 2O 3（也叫人造刚玉）。所以氧化铝的同质异晶体又可以被看作是a-Al 2O 3的的过渡态。

按照它们的生成温度可以分为以下两类：

1．低温氧化铝。低温氧化铝化学组成为Al 2O 3·nH 2O ，式中0﹤n ﹤0.6，是前述各种氢氧化铝在不超过600℃的温度下脱水的产物，发球这一类的有ρ- Al 2O 3、χ-Al 2O 3等四种。

2．高温氧化铝。高温氧化铝几乎是无水的Al 2O 3，是在900～1000℃之间的温度下生成的，属于这一类的除a-Al 2O 3外还有K-Al 2O 3、δ-Al 203及θ- ALOOH 或Al 203。 在催化领域中常见的和应用最广的是Υ-Al 203及η-Al 203。通常所指的“活性氧化铝”，一种含义是指活性Υ-Al 203；另一种含义则是泛指χ-Al 203 、η-Al 203和Υ-Al 203的混合物。

在氧化铝生产中通常所生产的电解炼铝用氧化铝是α-Al 203和Υ-Al 203的混合物。 α-Al 203它属于六角晶系，由于有完整坚固的晶格，所以它是所有的氧化铝同质异晶体中化学性最稳定的一种，在酸或碱液中不溶解。人工方法是将一水硬铝石之外的

各种氢氧化铝加热脱水即可获得Υ-Al

203 。Υ-Al

2

3

属于立方晶系，焙烧温度由450℃

升高到950℃时，毕生由3.22增加到3.5～3.77。Υ- Al

20

3

具有很大的分散性，化学

性较为活泼，称之为活性氧化铝，易与酸或碱溶液作用。活性氧化铝对水和其它物质具有很高的吸附特性，因此可作为吸附济和干燥剂等。

6.氧化铝的制备方法

现阶段Al

2O

3

的制备方法主要有溶胶一凝胶法、硫酸铝铵热解法、碳酸铝铵热解法、

氯化汞活化水解法、等离子体法、喷雾热解法低碳、低碳烷基铝水解法、水热法、改良拜耳法、水析络合法和高纯铝直接水解法等．

制备水合氧化铝的方法很多，其中有以铝盐、偏铝酸钠、烷基铝、金属铝等为原料的方法，并控制温度、pH、反应时间、反应物浓度等，得到均一的相态和不同的物性。通常有下列几种方法。

（1）以铝盐为原料：用AlCl3·6H2O、Al2（SO4）3·18H2O、Al（NO3）3·9H2O、KAl（SO4）2·12H2O等的水溶液与沉淀剂——氨水（或NaOH、Na2CO3等）溶液作用生成氧化铝水合物。

AlCl3＋3NH4OH →Al(OH)3↓＋3NH4Cl

Al2(SO4)3 + 6NH4OH →2Al(OH)3↓＋3(NH4)2SO4

实验室多使用该法制备水合氧化铝。

（2）以偏铝酸钠为原料：偏铝酸钠可在酸性溶液作用下分解，沉淀析出氢氧化铝。此原料在工业生产上较经济，是常用的生产活性氧化铝的路线，常因混有不易脱除的Na＋，故常用通入CO2的方法制各种晶型的Al(OH)3。

2NaAlO2＋CO2＋3H2O →Na2CO3＋2Al(OH)3↓

NaAlO2＋HNO3＋H2O →NaNO3＋Al(OH)3↓

制备过程中Al3+和OH－存在是必要的，其他离子可经水洗被除掉。

另外还有许多方法，它们都是为制取特殊要求的催化剂或载体而采用的。制备催化剂或载体时，都要求去除S、P、As、Cl等有害杂质，否则催化活性较差。

7. 以Al2O3为载体的活性组分

7.1稀土钙钛矿型复合氧化物

稀土钙钛矿型复合氧化物ABO

3

，由于其稳定的晶体结构和良好的催化活性，相对于贵金属来说具有价格低廉的优势。

稀土钙钛矿型复合氧化物ABO

3

是一氧化碳的有效催化剂，其初始活性与寿命优于

铂催化剂，具有催化燃烧和 NO

x

还原的双重作用，因而可作为汽车尾气的净化催化剂。

7.2 Ce、Zr、La、Co

Ce-Zr-O 固溶体被誉为最有发展前景的催化剂储氧载体。因为Ce

X Zr

1-X

O

2

固溶体

具有高的储氧能力和良好的热稳定性, 用作汽车尾气净化催化剂载体受到了广泛的关注, 是目前催化剂领域的研究热点。

LaCoO3型化合物的催化活性主要由Co离子决定，La离子主要通过控制活性组分Co离子的原子价态和分散状态而起稳定结构的作用。

7.3过度金属型

在过渡金属中有很多金属是可以作为催化剂的活性组分，例如铜和锡对柴油车尾气的处理就有很好的催化作用，本实验就是用Cu和Sn作为活性组分，K和V作为组催

化剂，Al

2O

3

作为载体，用共沉淀法制备处理柴油尾气的催化剂。

8.初步实验方案

一、实验目的及意义

柴油车排放的污染物主要是颗粒物（PM）和氮氧化物（NOx），还有少量的一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、挥发性烃类有机化合物（VOC）。柴油车排放的污染物和汽油车相比较，汽油车排气中的CO、HC和VOC比较多，柴油车排气中的PM比较多，近年来因机动车所造成的污染日趋严重，对机动车尾气进行治理具有重要意义。综合目前柴油车尾气的处理方法，采用催化燃烧的方法除去颗粒物是目前实现柴油车颗粒物排放控制最为有效和简单的方法，其中催化剂的选择是最为关键的因素。

本实验拟以金属氧化物为活性组分，三氧化二铝（Al2O3）为载体制备柴油车尾气净化催化剂，并了解催化剂制备过程中各种因素对催化剂活性的影响，拟达到如下目

的：

1．初步了解和掌握催化剂产品开发的研究思路和实验研究方法；

2．学会独立进行实验方案的设计，组织与实施；

3．了解和掌握催化剂的各种制备方法，催化剂活性评价方法及数据处理的方法；

4．了解催化剂比表面积（BET），X射线粉末衍射（XRD）、程序升温还原（TPR）等的测定方法，了解表征结果与催化剂性能之间的关系。

二、实验原理

1.催化剂制备

固体催化剂的制备方法有离子交换法、浸渍法、溶胶凝胶法、沉淀法等，其中浸渍法是制备固体催化剂广泛采用的一种方法。在制备过程中，一般将载体放进含有活性物质（或连同助催化剂）的液体中浸渍。浸渍法是通过具有多孔结构的载体在含有活性组分的溶液中浸渍时，溶液在毛细管力的作用下，由表面吸入到载体细孔中，溶质的活性组分向细孔内壁渗透，扩散，进而被载体表面的活性点吸附，或沉积，离子交换，甚至发生反应，使活性组分负载在载体上，这些都伴随传质过程。当催化剂被干燥时，随着溶剂的蒸发，也会造成活性组分的迁移。这些传质过程不是单纯，孤立地发生，大部分是同时进行而又互相影响，所以浸渍过程必须同时考虑吸入，沉积，吸附与扩散的影响。当浸渍平衡后，将剩余的液体除去，再进行干燥、焙烧、活化等。而焙烧过程中，活性金属盐在高温下分解，形成具有催化活性的金属氧化物。

2.催化剂活性评价

活性是催化剂最重要的性质，评价催化剂活性的方法有很多，大体上可以分为两大类，即流动法和静态法。流动法的反应系统是开放的，供料连续或半连续；静态法的反应系统是封闭的，供料不连续。流动法中，用于固定床催化剂测定的有一般流动法、流动循环法（无梯度法）、催化色谱法等。本实验就是采用催化色谱法，催化反应在反应器中发生，然后用色谱仪检测反应前后的气体组成的变化，从而完成对催化剂的活性评价。本实验的活性评价是采用WJ－6微反/积反多功能催化反应评价装置进行

测试的。其活性评价标准是：颗粒物的起燃温度（T

i ）及最大燃烧速率时的温度(T

C

)。

颗粒物的起燃温度越低，表明催化剂的催化活性越好。最大燃烧速率时的温度越低，表明催化剂催化燃烧颗粒物的速率越高，通过作图可以得到催化剂的起燃温度及最大

燃烧速率时的温度。

3.催化剂BET、XRD、TPR等表征

（1）BET表征：1克固体所占有的总表面积为该物质的比表面积S(specific surface area，㎡/g)。比表面积的测量，无论在科研还是工业生产中都具有十分重要的意义。一般比表面积大、活性大的多孔物，吸附能力强，具有其他特殊性质。比表面积测定分析有专用的比表面积测试仪，国内比较成熟的是动态氮吸附法，比表面积研究和相关数据报告中，只有采用BET方法检测出来的结果才是真实可靠的。

（2）XRD表征：多晶X射线衍射分析法常又称为粉末X射线衍射分析法，因为此法通常都要先把样品制成很细的粉末才便于实验使用。多晶X射线衍射分析法有着广泛的应用，它有很多独特的优点，不易用其它方法简单地代替，是一种重要的物理化学实验方法，它特别适用于物相分析，是物相分析的最主要而有力的方法。它依据分析对象的晶体结构数据(晶面间距数据)来进行固态物质的相组成分析，因此结论常常比较准确。物相分析在物质材料的组成分析，结构与性能关系的研究，物质材料制备、生产过程的控制或性能控制等等方面都十分重要。多晶X射线衍射分析法不仅能完成对样品物相组成的定性鉴定，也能完成定量的分析，是一种完整的物相分析方法。它是固溶体(例如合金、类质同象矿物)研究中不可缺少的实验手段。

（3）TPR表征：TPR是一种在等速升温条件下的还原过程，在升温过程中如果试样发生还原，气相中的氢气浓度将随温度的变化而变化，把这种变化过程记录下来就得到氢气浓度随温度变化的TPR图。

一种纯的金属氧化物具有特定的还原温度，所以可以用还原温度作为氧化物的定性指标。当两种氧化物混合在一起并在TPR过程中彼此不发生化学作用，则每一种氧

表示。反之，如果两种化物仍保持自身的特征还原温度不变，这种特征还原温度用T

m

氧化物还原前发生了固相反应，则每种氧化物的特征还原温度将发生变化。

各种金属催化剂多半做成负载型金属催化剂，制备时把金属的盐类做成溶液后浸到载体上，干燥后加热使盐类分解成相应的氧化物，在这个过程中氧化物可能和载体发生化学作用，所以其TPR峰将不同于纯氧化物。金属催化剂也可能是双组份或多组份金属组成，各金属氧化物之间可能发生作用，所以双金属或多金属催化剂的TPR图也不同于单个金属氧化物的TPR图。总之，可以通过TPR法研究金属催化剂中金属组

份和载体之间或金属组份之间的相互作用。TPR法灵敏度高，能检测出只消耗10-8molH

2

的还原反应。

三、可提供的材料和实验仪器设备

1．实验仪器：常规的玻璃仪器，电子天平，干燥箱，马弗炉，WJ－6微反/积反多功能催化反应评价装置及气相色谱，比表面积测定仪、X射线粉末衍射仪、多功能吸附仪（TPR）。

2．实验药品：氧化铝，硝酸铜、硝酸铝、硝酸锆、结晶四氯化锡、氯化钾、偏钒酸铵、硝酸铈、硝酸镧、硝酸钡，模拟碳黑。

四、实验流程及装置操作说明

1．催化剂制备的流程

（1）应用正交法确定制备催化剂的实验方案。

柴油车尾气净化催化剂制备正交表

（2）根据正交表确定的数据进行计算。以活性氧化铝的重量2g为基准，计算各金属盐的用量。

（3）称取2g的氧化铝，然后用量简量取其体积，记录数据V。再根据计算结果称量各金属盐，然后把各金属盐一起放入一个小坩埚中，用量筒量取与氧化铝同体积的

蒸馏水VmL，倒入坩埚中，使金属盐全部溶解。最后将氧化铝倒入其中，用玻棒搅拌均匀。静置一小时。

（4）把浸渍好的样品放入干燥箱中干燥两小时。

（5）把干燥后的样品放入马弗炉中焙烧两小时。

2．催化剂活性评价流程

将制备好的催化剂在固定床催化评价装置中进行活性评价，评价的具体操作步骤：（1）装样：称取500毫克的催化剂和55毫克的模拟碳黑，混合均匀后装入石英管反应器中。

（2）加热：检查反应气路的气密性，然后按反应温度进行程序升温。

（3）检测：当催化剂反应温度达到测量点时，扳动六通阀进样器进样检测，当所有的测量点全部测完后，停止控温，关闭反应气流量控制，实验结束。

3．催化剂表征：选择BET、XRD、TPR中一种方法对催化剂进行表征。

五、数据处理

（1）活性测试数据处理

根据在固定床催化活性评价装置得到的数据绘图，找出催化剂的启燃温度和最大燃烧速率时的温度。

（2）正交表及其数据处理

将活性测试的数据填入正交表中，并对正交表进行处理，找出催化剂活性与各因素之间的关系，并获得最佳操作参数。

（3）表征分析

根据测得的表征数据，分析制备条件、活性组分与催化剂活性之间的关系。

六、思考题

1．正交实验的优点是什么？

2．催化剂的制备方法有几种，它们的优缺点是什么？

3．柴油车尾气颗粒物净化催化剂的主要性能参数有哪些，如何测定？

参考文献

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[2] 朱洪法.催化剂载体制备及应用技术.石油工业出版社.2002，5

[3] 桂客，瞿龙.过渡金属型汽车尾气净化催化材料的制备及性能研究.广州化

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