摘要
颗粒物 (PM) 是船舶柴油机尾气排放的主要污染物之一，碳烟作为其重要组分，对人类健康和生态环境造成了严重危害。颗粒物捕集器 (DPF) 是目前应用最广泛且最有效的颗粒物排放控制技术，该技术的核心是高性能的催化剂。钙钛矿材料的通用结构式为ABO3，因其具有成本低、热稳定性好、机械强度高等优点，被广泛应用于碳烟催化燃烧。当前，钙钛矿催化剂用于碳烟催化燃烧的相关研究主要集中于采用镧 (La) 作为A位元素，而以铈 (Ce) 作为A位元素的钙钛矿催化剂用于碳烟燃烧的相关研究未见报道。铈基氧化物催化剂具有较强的储放氧能力和优异的氧化还原性能。因此，本文采用柠檬酸溶胶-凝胶法制备铈基钙钛矿催化剂 (CeMO3)，采用K元素部分地取代A位Ce元素、Ni元素部分地取代B位Co元素，从而进一步提高碳烟催化燃烧性能。通过一系列表征技术分析A、B位部分取代对铈基钙钛矿催化剂物化特性的影响，深入探讨碳烟催化燃烧反应机理。本文主要研究内容与结论如下： (1) 采用柠檬酸溶胶-凝胶法制备了一系列CeMO3 (M=Mn, Fe, Co, Ni, Cu) 钙钛矿催化剂，对比研究不同B位过渡金属元素对铈基钙钛矿催化剂碳烟燃烧性能的影响。实验结果表明，在未使用催化剂的情况下，碳烟燃烧温度较高且CO2选择性较差。在碳烟与催化剂混合的情况下，碳烟燃烧温度明显降低且CO2选择性明显提高。CeCoO3催化剂表现出优异的催化性能，其T10、T50、T90和SmCO2分别为344、415、480°C和97.8%。 (2) 在优化出CeCoO3催化剂的基础上，采用K元素部分地取代A位的Ce元素，对比研究Ce1-xKxCoO3 (x=0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4) 钙钛矿催化剂的碳烟燃烧性能，并探究相关反应机理。实验结果表明，K元素部分地取代 Ce元素进一步提高了 CeCoO3钙钛矿催化剂的碳烟燃烧性能。其中，Ce0.8K0.2CoO3催化剂的T10、T50、T90和SmCO2分别为326、383、426°C和98.6%。表征分析结果表明，K元素部分地取代Ce元素没有破坏钙钛矿结构，有利于增大催化剂的比表面积，提高催化剂的氧化还原性能，促进催化剂表面Co4+物种的形成，增加氧空位的数量，增强晶格氧物种的迁移率。In situ DRIFTS结果表明， Ce0.8K0.2CoO3催化剂表面吸附了更多单齿硝酸盐物种，该中间物种热分解产生的NO2可氧化碳烟颗粒。 (3) 采用不同过渡金属元素 (Mn, Fe, Ni, Cu) 按一定比例 (0.4) 部分地取代Ce0.8K0.2CoO3钙钛矿催化剂中B位的Co元素，研究对应催化剂的碳烟燃烧性能，并探究相关反应机理。实验结果表明，B位引入的过渡金属元素与Co元素之间的相互作用导致碳烟催化燃烧性能发生明显变化。其中，Ce0.8K0.2Co0.6Ni0.4O3催化剂的T10、T50、T90和SmCO2分别为319、372、422°C和99.0%。表征分析结果表明，Ni元素部分地取代Co元素没有影响钙钛矿结构的形成，进一步增大了催化剂的比表面积，使催化剂表面变得疏松多孔，同时提高了催化剂表面Co3+物种和吸附氧物种的比例。In situ DRIFTS结果表明，Ce0.8K0.2Co0.6Ni0.4O3催化剂表面形成了更多的硝酸盐物种，且单齿硝酸盐物种为NOx的主要吸附形式。单齿硝酸盐物种热分解产生的NO2可氧化碳烟颗粒，同时该物种也可以直接参与碳烟催化氧化反应。
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