cuo-ceo2催化碳顆粒燃燒性能研究【畢業(yè)論文】

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　CuO-CeO2催化碳顆粒燃燒性能研究</p><p>　　所在學院 </p><p>　　專業(yè)班級 化學工

2、程與工藝 </p><p>　　學生姓名 學號 </p><p>　　指導教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘要</b>&l

3、t;/p><p>　　本論文分別采用共沉淀法、檸檬酸絡合法、浸漬法以及沉積沉淀法四種方法分別制備了4種不同Cu含量的CuO-CeO2催化劑。利用熱重分析儀對CuO-CeO2催化碳顆粒燃燒的活性進行了考察，并且對CuO-CeO2催化劑進行了一些的表征測試。對實驗所得到的數(shù)據(jù)進行處理后，主要的結果如下：</p><p>　　考察了4種不同的方法制備的CuO-CeO2催化劑在碳顆粒燃燒中的催化活性。

4、通過對每種方法制備的CuO-CeO2催化劑在碳顆粒燃燒催化中的DTG曲線的比較發(fā)現(xiàn)，其中以共沉淀法制備的CuO-CeO2催化劑中，5%Cu含量的CuO-CeO2催化劑的催化溫度最低，而以檸檬酸絡合法、浸漬法以及沉積沉淀法這三種方法制備的CuO-CeO2催化劑中，每種方法都是以20%Cu含量的CuO-CeO2催化劑的催化溫度最低。通過對所有CuO-CeO2催化劑的DTG曲線以及純CeO2催化劑在碳顆粒燃燒催化中DTG曲線的比較，發(fā)現(xiàn)以沉積

5、沉淀法制備的20%Cu含量的CuO-CeO2催化劑的催化溫度是最低的，但是不管哪種方法制備的催化劑，其Cu含量是多少，它們的催化溫度雖然比純CeO2催化劑的催化溫度要低，但是其催化溫度改變不大始終在50℃范圍以內。</p><p>　　從4種制備方法的TPR表征譜圖中發(fā)現(xiàn)，不管是哪種方法制備的CuO-CeO2催化劑，都是以20%CuO含量的催化劑的峰面積最大。所以制備方法不同以及Cu含量不同的CuO-CeO2催化

6、劑在碳顆粒燃燒中的催化活性雖然有較小的差別，但是其所體現(xiàn)的效果不顯著。</p><p>　　[關鍵詞]碳顆粒；CuO-CeO2催化劑；催化燃燒；DTG</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　In this work, 4 different Cu content in CuO-CeO2 catalysts w

7、ere prepared by CP, NMS,IM and DP. By TGA of CuO-CeO2 catalytic activity of soot combustion were investigated, and on CuO-CeO2 catalysts were characterized by some of the test. The experimental data obtained after treatm

8、ent, the main results are as follows:</p><p>　　The effects of 4 different methods of CuO-CeO2 catalysts prepared by the combustion of carbon particles in the catalytic activity. Prepared by each of the CuO-C

9、eO2 catalysts in catalytic combustion of carbon particles in the comparison between the DTG curves, in which coprecipitation of CuO-CeO2 catalysts, 5%Cu content in CuO-CeO2 catalysts minimum temperature, And the three Cu

10、O-CeO2 catalysts by the citric acid, impregnation and deposition precipitation prepared, each method are based on 20%Cu </p><p>　　The 4 preparation methods spectra from TPR characterization were found, regar

11、dless of which method is the preparation of CuO-CeO2 catalysts are based on 20%Cu content catalyst for the largest peak area. Therefore, the different preparation methods and the Cu content in CuO-CeO2 catalysts of diffe

12、rent carbon particle combustion in the catalytic activity although there are small differences, but they reflect the effect was not significant.</p><p>　　[KEYWORDS]carbon particle; CuO-CeO2 catalysts; cataly

13、tic combustion; DTG</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　中英文摘要I</b></p><p><b>　　1. 前言1</b></p><p>　　2. 碳顆粒的催化燃燒及研究進展2</p><p&

14、gt;　　2.1 催化燃燒2</p><p>　　2.2 碳顆粒催化燃燒的催化劑的研究進展2</p><p>　　2.2.1堿金屬和堿土金屬催化劑2</p><p>　　2.2.2貴金屬催化劑2</p><p>　　2.2.3過渡金屬催化劑3</p><p>　　2.2.4復合型催化劑3</p>

15、<p>　　2.3 其他催化技術——低溫等離子體協(xié)同催化技術3</p><p>　　3. 實驗設備及催化劑制取3</p><p>　　3.1 催化劑制備4</p><p>　　3.1.1 制取設備4</p><p>　　3.1.2化學試劑4</p><p>　　3.1.3共沉淀法制備催化劑4&

16、lt;/p><p>　　3.1.4檸檬酸絡合法制備催化劑5</p><p>　　3.1.5浸漬法制備催化劑5</p><p>　　3.1.6沉積沉淀法制備催化劑6</p><p>　　3.2 儀器設備6</p><p>　　3.2.2程序升溫還原（H2-TPR）6</p><p>　　3.

17、2.3粉末X射線衍射（XRD）7</p><p>　　3.2.4熱重-差熱分析8</p><p>　　4.CuO-CeO2催化劑在碳顆粒催化燃燒中性能研究8</p><p>　　4.1 實驗部分9</p><p>　　4.1.1 CuO-CeO2催化劑的制備9</p><p>　　4.1.2 碳顆粒催化燃燒

18、9</p><p>　　4.1.3 催化劑表征9</p><p>　　4.2 實驗結果與討論10</p><p>　　4.2.1 共沉淀法制備的CuO-CeO2催化劑的研究10</p><p>　　4.2.2 檸檬酸絡合法制備的CuO-CeO2催化劑的研究11</p><p>　　4.2.3 浸漬法制備的Cu

19、O-CeO2催化劑的研究12</p><p>　　4.2.4 沉積沉淀法制備的CuO-CeO2催化劑的研究14</p><p>　　4.2.5 不同研磨時間下共沉淀法制備的CuO-CeO2催化劑的研究16</p><p>　　4.2.6 不同制備方法中效果最好的催化劑的對比16</p><p><b>　　4.3 總結16

20、</b></p><p>　　5. 結論與展望17</p><p><b>　　5.1 結論17</b></p><p><b>　　5.2 展望18</b></p><p>　　6. 致謝錯誤!未定義書簽。</p><p><b>　　【參考文

21、獻】19</b></p><p><b>　　1. 前言</b></p><p>　　機動車污染已經(jīng)成為城市污染的主要污染源，并對人類健康造成直接傷害。而柴油做為節(jié)能型燃料，同樣功率的柴油機可節(jié)約燃料近25%相對于汽油機，并且柴油發(fā)動機空燃比大，動力性能顯著提高，因此柴油機轎車成了當前世界汽車業(yè)關注的熱點之一，但同時，柴油機排放物所造成的環(huán)境污染問題也日

22、益突出。[1]而柴油機的尾氣中主要污染物有碳煙顆粒物、一氧化碳、碳氫化合物和氮氧化物等，碳顆粒是汽車尾氣污染的主要原因，其表面吸附許多重金屬元素、有機污染物和一些致癌物質，極易被吸入肺部而致病。</p><p>　　目前主要有三種方法解決碳黑顆粒的排放：一是柴油車發(fā)動機的改進；二是改進染料和用新型燃料來代替柴油；三是對尾氣排放進行后處理。[2]前兩種方法無法徹底對碳黑顆粒的排放問題進行解決。去除碳顆粒物的最直接有

23、效的排放處理方法是用顆粒過濾器收集碳黑顆粒，同時碳黑顆粒被催化氧化為CO2。然而，碳黑顆粒的燃燒溫度高達550～603℃，柴油車的尾氣溫度為177～402℃。因此，需要一種能降低碳黑顆粒的燃燒溫度的催化活性高的催化劑，把過濾器上的碳黑顆粒燃燒轉化除去，防止碳黑顆粒過度積累在過濾器上，把過濾器塞住，影響柴油車性能。[3]</p><p>　　目前國內外采用的柴油機碳顆粒燃燒催化劑有：過渡金屬催化劑，貴金屬催化劑，堿

24、金屬或堿土金屬催化劑，復合型催化劑等。但由于貴金屬催化劑中貴金屬含量高、價格昂貴以及催化劑性能對制備條件敏感等原因，而不能大規(guī)模應用于工業(yè)。[4]以CeO2為載體的非貴金屬催化劑，尤其是CeO2負載Cu催化劑，其呈現(xiàn)出良好的催化性能。由于CeO2 在汽油車尾氣三效催化劑中的重要性及其優(yōu)異的儲放氧和氧化還原功能，人們對鈰基氧化物催化劑用于柴油機尾氣碳顆粒燃燒的研究較多。但是，Cu／CeO2催化劑用于碳顆粒燃燒的活性行為尚未見相關的研究報道

25、。</p><p>　　本實驗就是將CuO-CeO2催化劑用于碳顆粒的燃燒，通過研究不同制備方法及Cu含量的催化劑的表征，以及對其進行熱重測試，來研究CuO-CeO2催化劑對碳顆粒催化燃燒的影響。從而對柴油機尾氣處理提供一定的數(shù)據(jù)。</p><p>　　2. 碳顆粒的催化燃燒及研究進展</p><p>　　柴油碳顆粒對人體健康的危害非常大，因此常采用顆粒過濾器收集碳

26、黑顆粒，同時使碳黑顆粒被氧化為CO2，減少其排放量。</p><p><b>　　2.1 催化燃燒</b></p><p>　　可燃物在催化劑作用下燃燒。與直接燃燒相比，催化燃燒溫度較低，燃燒比較完全。催化燃燒所用的催化劑為具有大比表面的貴金屬和金屬氧化物多組分物質。例如家用負載Pd或稀土化合物的催化燃氣灶，可減少尾氣中CO含量，提高熱效率。負載0.2%pt的氧化鋁催

27、化劑，在500℃下，可將大多數(shù)有機化合物燃燒，脫臭凈化到化學位移σ=1以下。催化燃燒為無焰燃燒，因此適用于安全性要求高的場合，如以H2和O2為原料的燃料電池、用汽油或酒精為原料的懷爐(催化劑為浸Pt石棉)等。如消除化工廠NOx的煙霧，可加燃料到煙霧中，通過負載型鉑和鈀催化劑，催化燃燒使NOx轉化為N2氣。</p><p>　　本實驗采用CuO-CeO2催化劑來催化燃燒碳顆粒，使其能在較低溫度下燃燒轉化成二氧化碳。

28、</p><p>　　碳顆粒催化燃燒的催化劑的研究進展</p><p>　　堿金屬和堿土金屬催化劑</p><p>　　堿金屬是比較好的催化劑在碳黑顆粒的催化氧化上。但是堿金屬以及它的氧化物在空氣中不是很穩(wěn)定，所以在對堿金屬催化燃燒碳黑顆粒的研究時一般使用堿金屬它的氫氧化物和鹽類。處于松散接觸狀態(tài)下堿金屬的催化活性很低，碳黑顆粒的Tign比緊密接觸下要高約100K。

29、 有2種解釋對于這一現(xiàn)象，一種解釋為堿金屬它的氫氧化物和鹽類它們的吸濕性很強，這些催化劑由于顆粒的表面張力的存在而使碳黑顆粒和催化劑的接觸性很差；另一種解釋為堿金屬形成了碳酸鹽，它在與碳黑顆粒緊密接觸時被認為是通過M－O 鍵與C相互作用，形成C－O－M物種，使碳黑顆粒的Tign降低。[5]</p><p>　　在催化劑與碳黑顆粒緊密接觸下，堿土金屬和它的氧化物也有一定的催化活性。Ba催化劑可以讓碳黑顆粒的氧化溫度

30、降低100～150 K；在673 K下焙燒后的22 %Ba/ CeO2催化劑與7 %K/ CeO2催化劑的催化活性差不多。但是，碳黑顆粒和所有的堿土金屬氧化物在松散接觸下的催化氧化活性都非常低，如CaO催化氧化碳黑顆粒的Tcomb為872 K。這是因為堿土金屬氧化物的熔點都偏高，它的表面的原子的移動性比較差。所以碳黑顆粒與催化劑上的活性位的接觸較差，從而導致催化劑活性較低。[6]</p><p><b>

31、;　　貴金屬催化劑</b></p><p>　　貴金屬Pt具有良好的氧化特性,它能間接地提高碳顆粒的氧化速度，通過將尾氣中的NO 催化氧化成NO2，由于NO2 的氧化能力比O2 強，因此NO2能加速將碳顆粒氧化成CO 和CO2，但是這種連續(xù)再生捕集系統(tǒng)(CRT)要求柴油燃料的硫含量較低。</p><p>　　Craenenbroeck等發(fā)現(xiàn)V 基催化劑能夠加強柴油機碳黑顆粒的催

32、化氧化過程和降低它的起始的燃燒溫度，并負載V的量越大,效果就越是明顯。V基催化劑中加入Au 后有兩種作用產(chǎn)生：一種是在釩的負載量低(沒有V2O5 出現(xiàn)) 時，Au 顆粒能加強氧原子的傳遞使得碳顆粒的氧化活性顯著地提高；另外一種是當V在催化劑的表面達到了飽和導致有V2O5 出現(xiàn)時，添加Au會使碳顆粒和催化劑之間的接觸位置減少，使得碳黑顆粒的燃燒過程推遲。[7]</p><p><b>　　過渡金屬催化劑&

33、lt;/b></p><p>　　過渡金屬作為催化劑催化燃燒碳黑顆粒主要形式是以氧化物的方式存在的，它有兩種主要的催化機理，氧原子轉移機理以及電子的轉移機理。在氧原子轉移的機理中，金屬的氧化物使得在碳原子的表面的氧原子的含量增加。這種作用它是通過金屬的氧化物的氧化以及還原循環(huán)或增加催化劑至催化劑和碳之間表面的氧原子的傳遞來實現(xiàn)的。[8]在氧轉移機理中碳黑顆粒與催化劑的相互接觸是一個非常重要的參數(shù)，吸附氧原子

34、Oads及C都必須與金屬氧化物緊密的接觸才能夠反應。[9]然而，很多現(xiàn)象比如碳表面的氧的絡合物(SOC)的形成就不能采用這個機理對它進行解釋。因此就導致了另一種機理的產(chǎn)生即電子的轉移機理。電子的轉移機理的基礎是氧原子的過多溢出，催化劑以及碳元素的p軌道電子間的互相作用引起了C－C 鍵的減弱，從而使得碳與氧分子之間它的反應速率加快了。而該機理的反應的步驟是被吸附的氧被活化在催化劑的表面，然后再轉移到碳原子的表面上，兩者發(fā)生反應生成SOC，

35、CO與CO2。研究不同的單組分的過渡金屬催化劑發(fā)現(xiàn)，對碳顆粒的催化燃燒的催化活性，Co，Mo和釩的氧化物和銅的氯化物比較高；而Mo以及V由于它本身揮發(fā)容易，很少有單一的組分在碳黑顆粒催</p><p><b>　　復合型催化劑</b></p><p>　　鈣鈦礦(ABO3)和類鈣鈦礦(A2BO4)的復合型氧化物的催化劑被認為是可以同時除去柴油機尾氣中的碳顆粒和NOx的

36、一類具有高催化活性的催化劑。上述的催化劑它們的活性其主要決定于A位和B位之間的離子以及其中摻雜的有活性的組分的類型、摻雜的量，但只是通過替換B位的陽離子對于催化劑提高性能的效果不怎么明顯。[11]在鈣鈦礦A位中摻雜的有活性的組分主要含有堿金屬以及堿土金屬，其中K被認為是碳黑顆粒燃燒效果提高的最好的選擇，K含量多的催化劑樣品，使碳顆粒燃燒的溫度最低。用低價的堿金屬少量代替鈣鈦礦A位的陽離子，迫使B位的一些陽離子轉變?yōu)楦邇r，從而使氧化能力增

37、強，降低了碳黑顆粒的氧化溫度；采用相對分子量比較大的堿金屬把鈣鈦礦中相對分子量比較小的La取代可以導致晶格的膨脹變形,增加晶格的氧原子的活動度，催化劑的氧化活性被提高，也增加了NO在催化劑表面的吸附能力與吸附量，提高NO的還原選擇性。[12]</p><p>　　其他催化技術——低溫等離子體協(xié)同催化技術</p><p>　　低溫等離子體技術(Non - thermal plasma) 在同

38、時除去柴油機排放NOx 和碳顆粒方面，有著運行溫度低，高處理效率，能有效防止催化劑中毒，增強催化劑的選擇性等優(yōu)點。Okubo 等發(fā)現(xiàn)了間接法去除碳黑顆粒要比直接法的效率要高，等離子體使DPF 在300 ℃的低溫中還能運行。[13]因為空氣在經(jīng)過等離子體反應器的時侯生成了各種活性基團(O，O2，O3，N，OH 等)，將它們注入到尾氣管中可以氧化NO 成NO2 ，而活性基團和NOx 使得碳顆粒的燃燒加速了，可見NTP 引起的NO 到NO2

39、的氧化反應是關鍵的過程。低溫等離子體催化劑復合體系可以在較低的溫度下達到很高的轉化率(約為單獨NTP體系的7 倍)，有利于同時提高NOx 和碳顆粒的去除效率，所以是一種非常有發(fā)展前途的柴油機尾氣后處理技術。[14]</p><p>　　實驗設備及催化劑制取</p><p>　　3.1 催化劑制備</p><p>　　3.1.1 制取設備</p>&l

40、t;p><b>　　化學試劑</b></p><p><b>　　共沉淀法制備催化劑</b></p><p>　　沉淀法一般是在溶液的狀態(tài)下把不同的化學組成成分的一些物質混合，在混合溶液中加人適量的沉淀劑用來制備前驅體的沉淀物，然后將沉淀物干燥以及鍛燒，從而制備得到相應的粉狀顆粒。</p><p>　　共沉淀法，就是

41、把特定的沉淀劑添加到電解質的溶液中，該溶液中有各種成份的離子溶解在其中，反應最后生成了的沉淀組成均勻，沉淀再經(jīng)過熱分解就可以得到高純的納米粉狀材料。而共沉淀法它的優(yōu)點就在于：一是能通過在溶液中的各類化學的反應直接就制得化學成分很均一的納米粉狀材料，二是制備顆粒度小并且分布很均勻的納米粉狀材料很容易。</p><p>　　共沉淀法（CP）制備的CuO/（CuO+CeO2）mol比為5%的CuO-CeO2催化劑2g：

42、計算得出需Ce（NO3）3·6H2O質量4.925g，需Cu（NO3）2·3H2O質量0.145g；將兩種藥品混和溶于50ml超純水中；計算得出需過量的Na2CO3：NaOH=1:1的Na2CO3 2.12g ，NaOH 0.8g ，混和溶于300ml超純水中；將兩種溶液控制在PH=10左右邊滴定邊攪拌，直至酸液滴定完全；在常溫下攪拌4小時；放在室溫中老化12小時；進行抽濾，用蒸餾水洗滌多次；抽干之后，在80℃下

43、干燥12小時；再在400℃下焙燒4小時。</p><p>　　共沉淀法（CP）制備mol比為10%的CuO-CeO2催化劑2g：計算得出需Ce（NO3）3·6H2O質量9.85g，需Cu（NO3）2·3H2O質量0.29g；；將兩種溶液混和溶于50ml超純水中；計算得出需過量的Na2CO3：NaOH=1:1的Na2CO3 2.12g ，NaOH 0.8g ，其余步驟同上。</p>

44、;<p>　　共沉淀法（CP）制備mol比為15%的CuO-CeO2催化劑2g：計算得出需Ce（NO3）3·6H2O質量14.775g，需Cu（NO3）2·3H2O質量0.435g；將兩種溶液混和溶于50ml超純水中；計算得出需過量的Na2CO3：NaOH=1:1的Na2CO3 2.12g ，NaOH 0.8g ，其余步驟同上。</p><p>　　共沉淀法（CP）制備mol

45、比為20%的CuO-CeO2催化劑2g：計算得出需Ce（NO3）3·6H2O質量19.7g，需Cu（NO3）2·3H2O質量0.58g；將兩種溶液混和溶于50ml超純水中；計算得出需過量的Na2CO3：NaOH=1:1的Na2CO3 2.12g ，NaOH 0.8g ，其余步驟同上。</p><p>　　共沉淀法（CP）制備20gCeO2單體：稱取38.84g Ce（NO3）3·

46、6H2O溶于300ml蒸餾水中；稱取Na2CO3：NaOH=1:1的Na2CO3 16.96g ，NaOH 6.4g，其余步驟同上。</p><p>　　檸檬酸絡合法制備催化劑</p><p>　　檸檬酸絡合法，它是采用檸檬酸的整合作用和金屬離子的絡合，然后使檸檬酸在通過一種能酯化成為鏈的合成多種組分復合型氧化物的方法。檸檬酸帶有3個羧酸根，1個羥基，可以1：1的絡合金屬離子，然后羥基

47、能和羧酸根進行酯化，或者通過加入聚乙二醇酯化，而這種酯化它可以把一些單一的檸檬酸在一起聚合為鏈狀，形成凝膠，然后采用熱分解的方法除去檸檬酸，這樣可以達到均勻分散多種金屬組分效果，所得原子級分散的目的，有利于更低的溫度形成特殊晶相或者固溶體。</p><p>　　檸檬酸絡合法（NMS）制備mol比為5%的CuO-CeO2催化劑2g：計算得出需Ce（NO3）3·6H2O質量4.925g，需Cu（NO3）2&

48、#183;3H2O質量0.145g；將兩溶液混合；計算需(Ce+Cu)：檸檬酸=1.2:1的檸檬酸為2.1g，溶于混合液；常溫下攪拌1小時；在70℃的水浴中攪拌恒溫蒸發(fā)至膠狀；在80℃的恒溫箱中干燥12小時；在自蔓延燃燒后，在400℃下的焙燒4小時。</p><p>　　檸檬酸絡合法（NMS）制備mol比10%的CuO-CeO2催化劑2g：計算得出需Ce（NO3）3·6H2O質量9.85g，需Cu（NO

49、3）2·3H2O質量0.29g；將兩溶液混合；計算需(Ce+Cu)：檸檬酸=1.2:1的檸檬酸為4.2g，溶于混合液；其余步驟同上。</p><p>　　檸檬酸絡合法（NMS）制備mol比15%的CuO-CeO2催化劑2g：計算得出需Ce（NO3）3·6H2O質量14.775g，需Cu（NO3）2·3H2O質量0.435g；將兩溶液混合；計算需(Ce+Ni)：檸檬酸=1.2:1的檸檬

50、酸為6.3g，溶于混合液；其余步驟同上。</p><p>　　檸檬酸絡合法（NMS）制備mol比20%的CuO-CeO2催化劑2g：計算得出需Ce（NO3）3·6H2O質量19.7g，需Cu（NO3）2·3H2O質量0.58g；將兩溶液混合；計算需(Ce+Ni)：檸檬酸=1.2:1的檸檬酸為8.4g，溶于混合液；其余步驟同上。</p><p><b>　　浸漬

51、法制備催化劑</b></p><p>　　浸漬法就是用載體與金屬鹽類的水溶液接觸，使金屬鹽類溶液吸附或貯存在載體毛細管中，除去過剩的溶液，再經(jīng)干燥、煅燒和活化制得催化劑。浸漬法的優(yōu)點是有比較好的定量負載，基本上負載量與投料比能吻合，利用率高，用量少，成本低。缺點是一般用于活性組分含量較低的負載，負載組分多數(shù)情況下僅僅分布在載體表面上負載強度較差。</p><p>　　浸漬法（I

52、M）制備mol比5%的CuO-CeO2催化劑2g：取1g已經(jīng)制備好CeO2單體置于坩堝上，滴蒸餾水在CeO2單體上至單體成糊狀，得出需膠頭滴管滴蒸餾水17滴；算出2g催化劑中CeO2占1.9522g，需滴水34滴；計算出需Cu（NO3）2·3H2O質量0.1446g，置于坩堝中，溶于27滴蒸餾水中；將1.9522gCeO2倒入坩堝中使其成漿糊狀；靜置12小時；在80℃的烘箱中干燥12小時；在400℃的電阻爐中焙燒4小時。<

53、;/p><p>　　浸漬法（IM）制備mol比10%的CuO-CeO2催化劑2g：計算出催化劑中CeO2占1.9041g，需Cu（NO3）2·3H2O的質量0.2977g溶于30滴蒸餾水中；將CeO2溶于坩堝中的溶液中；其余步驟同上。</p><p>　　浸漬法（IM）制備mol比15%的CuO-CeO2催化劑2g：計算出催化劑中CeO2占1.8476g，需Cu（NO3）2·

54、;3H2O的質量0.45888g溶于26滴蒸餾水中，將CeO2溶于坩堝中的溶液中；其余步驟同上。</p><p>　　浸漬法（IM）制備mol比20%的CuO-CeO2催化劑2g：計算出催化劑中CeO2占1.7888g，需Cu（NO3）2·3H2O的質量0.6292g溶于21滴蒸餾水中；將CeO2溶于坩堝中的溶液中；其余步驟同上。</p><p>　　沉積沉淀法制備催化劑<

55、/p><p>　　沉積沉淀法制備mol比為5%的CuO-CeO2催化劑2g：先通過共沉淀法制備出CeO2單體，計算得出需1.9522gCeO2單體；取出1.9522g單體，溶于350ml去離子水中，用攪拌器在常溫下攪拌一段時間；計算得到需Cu（NO3）2·3H2O的質量為0.1445g并溶于150ml蒸餾水中配成溶液；取過量的Na2CO3：NaOH=1:1的Na2CO3質量2.4906g ，NaOH質量0.

56、9398g，混合配成350ml溶液；將兩溶液控制在PH=10左右，邊攪拌邊滴定，直至酸液滴定完全；常溫下攪拌4小時；室溫下老化12小時；抽濾洗滌多次；在80℃下干燥12小時；再在400℃下，焙燒4小時。</p><p>　　沉積沉淀法制備mol比為10%的CuO-CeO2催化劑2g：計算出需1.9041gCeO2單體；以及需Cu（NO3）2·3H2O的質量0.2977g溶于150ml去離子水中；取過量的

57、Na2CO3：NaOH=1:1的Na2CO3質量2.4906g ，NaOH質量0.9398g ，混合配成350ml溶液；其余步驟同上。</p><p>　　沉積沉淀法制備mol比為15%的CuO-CeO2催化劑2g：計算出需1.8476gCeO2單體；以及需Cu（NO3）2·3H2O的質量0.4588g溶于150ml去離子水中；取過量的Na2CO3：NaOH=1:1的Na2CO3質量2.4906g ，N

58、aOH質量0.9398g ，混合配成350ml溶液；其余步驟同上。</p><p>　　沉積沉淀法制備mol比為20%的CuO-CeO2催化劑2g：計算出需1.7888gCeO2單體；以及需Cu（NO3）2·3H2O的質量0.0.6292g溶于150ml去離子水中；取過量的Na2CO3：NaOH=1:1的Na2CO3質量2.4906g ，NaOH質量0.9398g ，混合配成350ml溶液；其余步驟同上

59、。</p><p><b>　　儀器設備</b></p><p>　　程序升溫還原（H2-TPR）</p><p>　　TP－5080全自動多用吸附儀是催化劑動態(tài)分析儀，是研究金屬表面特性的分析設備之一。可作程序升溫還原（TPR）、程序升溫氧化（TPO）、程序升溫脫附（TPD）。研究金屬的氧化、還原特性，確定酸性中心及脫附性能。儀器配有TP－5

60、080專用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，并可方便的導入導出其它專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件（Excel，origin）對數(shù)據(jù)進行處理，方便的與質譜儀連接（TPD-MASS），得到催化劑在熱動態(tài)狀態(tài)下多方面的信息。還可以對采礦、礦藏成份進行分析；對儲氫材料、儲氧量進行嚴格定量；同時該儀器可應用于各類物質對有機或無機氣體、液體選擇吸附的研究。</p><p>　　該儀器還能做微量連續(xù)流動法、脈沖法兩大類反應。它可以實現(xiàn)全過程自動化操作。該儀器可

61、以顯示吸附、脫附全過程，是普通實驗室教學用必備的實驗室儀器。</p><p>　　CP、DP、NMS、IM法制備的CuO-CeO2催化劑的還原性能采用TPR技術進行表征，取50mg樣品放在石英管中，通入含有H2（5%）-A r（95%）的混合氣，氣體流速18.5ml/min，當熱導基線穩(wěn)定后，對樣品進行升溫，升溫速率在20℃/min，熱導用于檢測升溫過程中H2的質量分數(shù)的變化。H2-Ar混合氣經(jīng)過脫氧、脫水以及分

62、子篩凈化處理。以分析純CuO作為耗氫量校正。</p><p>　　圖2.1 TPR流程圖</p><p>　　粉末X射線衍射（XRD）</p><p>　　X 射線衍射儀是由X 射線發(fā)生器、測角儀、輻射探測器、檢測記錄裝置、控</p><p>　　制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、附屬裝置等構成。如圖2.2。</p><p>　　圖2

63、.2 X射線衍射儀構造示意圖</p><p>　　本實驗采用丹東方圓儀器有限公司產(chǎn)DX-2700 X射線衍射儀進行XRD分析。管電壓40 kV ,管電流100 mA，Cu 靶,石墨單色濾波器。將試樣固定于試樣臺上，,以衍射角10～80°掃描,得出衍射角與峰強度的關系,利用分峰技術確定各峰的位置和形狀。</p><p><b>　　熱重-差熱分析</b><

64、;/p><p>　　熱分析是一種很重要的分析方法。它是由程序控制的溫度下，測量物質的物理性質與溫度之間的關系的一種技術。熱分析主要用于對物理變化的研究（晶型轉變、熔融、升華和吸附等）和化學變化（脫水、分解、氧化和還原等）的研究。熱分析為實驗提供了熱力學參數(shù)，而且還可以得出具有一定參考價值的動力學數(shù)據(jù)。熱分析被大量而廣泛地應用在固態(tài)科學的研究中，比如固相反應的研究、熱分解和相變以及測定相圖等。很多的固體材料都具有不同“

65、熱活性”，因此熱分析是一種很重要的研究手段。</p><p>　　CuO-CeO2催化劑在碳顆粒催化燃燒中性能研究</p><p>　　由于石油資源的日益減少以及地球溫暖化傾向的日益嚴重，柴油機特別是直噴柴油機因其循環(huán)熱效率高、燃油經(jīng)濟性好、CO2 排放量低而日益受到重視。但是，柴油機的碳顆粒排放量較高，碳黑顆粒的燃燒溫度高達550～603℃，柴油車的尾氣排放溫度為177～402℃?！?】

66、 因此，需要降低碳黑顆粒的燃燒溫度，燃燒除去過濾器上的碳黑顆粒，防止碳黑顆粒在過濾器上的大肆積累，把過濾器塞住，影響柴油車的性能，這就需要一種催化活性高的催化劑。而催化劑的性能是催化燃燒技術的關鍵，因此如何提高催化劑的性能是當前研究的主要方向之一。</p><p>　　本實驗采用CuO-CeO2催化劑來催化碳顆粒的燃燒。為了考察CuO-CeO2催化劑的性能，實驗使用不同的制備方法，如共沉淀法（CP）、沉積沉淀法（

67、DP）、檸檬酸絡合法（NMS）、浸漬法（IM）來制備催化劑，催化劑里金屬的負載量也進行了改變，來考察比較催化劑催化燃燒的性能。并用XRD、TPR對催化劑進行表征。</p><p><b>　　4.1 實驗部分</b></p><p>　　4.1.1 CuO-CeO2催化劑的制備</p><p>　　使用共沉淀法（CP）、沉積沉淀法（DP）、

68、檸檬酸絡合法（NMS）、浸漬法（IM）制備CuO-CeO2催化劑祥見第二章2.1.3—2.1.6。所制備的催化劑見表3.1.</p><p>　　表3.1 催化劑名稱和制備條件</p><p>　　4.1.2 碳顆粒催化燃燒</p><p>　　采用差熱天平處理碳顆粒的催化燃燒。首先1：10的比例稱取碳顆粒和催化劑，碳顆粒取10mg，則催化劑取100mg，將碳顆粒和

69、催化劑放入研缽，混合研磨25分鐘左右，使其充分混合接觸，然后取20mg混合后的樣品，放入差熱天平。接著在空氣速率為50mm的氣氛中，以5℃/min的升溫速率由室溫升溫到800℃，記錄下DTG曲線。</p><p>　　4.1.3 催化劑表征</p><p>　　H2-TPR測試條件詳見2.2.1。</p><p>　　XRD測試條件詳見2.2.2。</p>

70、;<p>　　4.2 實驗結果與討論</p><p>　　4.2.1 共沉淀法制備的CuO-CeO2催化劑的研究</p><p><b>　?。?）DTG曲線</b></p><p>　　圖3.1 共沉淀法制取催化劑的DTG譜圖</p><p>　　從圖3.1中可以發(fā)現(xiàn)，使用共沉淀法制備的4種不同Cu含量的

71、CuO-CeO2催化劑對碳顆粒的催化燃燒溫度在350℃左右，但是各個催化劑的催化溫度差距不明顯，總的來說，用共沉淀法制備的催化劑中以5%的CuO-CeO2催化劑催化碳顆粒燃燒的溫度最低。</p><p>　?。?）H2-TPR表征</p><p>　　圖3.2所示為共沉淀法制備的不同Cu含量的CuO-CeO2催化劑的H2-TPR譜圖。從圖中可以看出隨著銅含量的增加，其峰面積也越大。共沉淀法

72、制備的CuO-CeO2催化劑在190℃，230℃時出現(xiàn)了α、β兩個H2消耗峰。把（α+β）作為一種衡量標準，隨著銅含量增加，峰面積也增加。α和β的消耗峰是CuO的還原峰，而在820℃時出現(xiàn)的還原峰歸結為CeO2的還原。</p><p>　　圖3.2 共沉淀法制備的催化劑的H2-TPR曲線</p><p><b>　?。?）XRD表征</b></p>&l

73、t;p>　　圖3.3 共沉淀法制備的催化劑的XRD譜圖</p><p>　　圖3.3是共沉淀法制備的催化劑的XRD譜圖。在譜圖中，應該有CuO和CeO2兩套衍射峰。但如圖3.3中只能觀察到CeO2衍射峰，而無法觀察到CuO的特征衍射峰，說明共沉淀法制取的催化劑中銅物種的分散度較高。 從中測得共沉淀法制備的CuO-CeO2催化劑的CeO2粒徑大小在8.2nm左右。</p><p>　　

74、4.2.2 檸檬酸絡合法制備的CuO-CeO2催化劑的研究</p><p><b>　?。?）DTG曲線</b></p><p>　　從圖3.4中可以發(fā)現(xiàn)，使用檸檬酸絡合法制備的4種不同Cu含量的CuO-CeO2催化劑對碳顆粒的催化燃燒溫度的差別比較明顯，除了5%Cu含量的催化劑的催化溫度明顯偏高超過了400℃，其他3中含量的催化劑的催化溫度都在300~400℃之間，

75、其中以20%Cu含量的催化劑的催化溫度最低。</p><p>　　圖3.4 檸檬酸絡合法制備的催化劑的DTG譜圖</p><p>　?。?）H2-TPR表征</p><p>　　圖3.5 檸檬酸絡合法制備的催化劑的H2-TPR譜圖</p><p>　　圖3.5所示為檸檬酸絡合法制備的不同Cu含量的CuO-CeO2催化劑的H2-TPR譜圖。從圖

76、中可以看出隨著銅含量的增加，其峰面積也越大。檸檬酸絡合法制備的CuO-CeO2催化劑在160℃，190℃時出現(xiàn)了α、β兩個H2消耗峰。把（α+β）作為一種衡量標準，隨著銅含量增加，峰面積也增加。α和β的消耗峰是CuO的還原峰，而在820℃時出現(xiàn)的還原峰歸結為CeO2的還原。但檸檬酸絡合法制備的催化劑出現(xiàn)的兩個CuO的還原峰出現(xiàn)溫度要比共沉淀法的低。</p><p><b>　?。?）XRD表征</

77、b></p><p>　　圖3.6所示為檸檬酸絡合法制備的催化劑的XRD譜圖。和共沉淀法制備的催化劑的XRD譜圖一樣只能觀察到CeO2衍射峰而無法觀察到CuO的衍射峰，說明檸檬酸絡合法制備的CuO-CeO2催化劑中銅物種的分散度也較高。從圖中測得的檸檬酸絡合法制備的CuO-CeO2催化劑中的CeO2的粒徑大小為34nm左右。</p><p>　　圖3.6 檸檬酸絡合法制備的催化劑的X

78、RD譜圖</p><p>　　4.2.3 浸漬法制備的CuO-CeO2催化劑的研究</p><p><b>　　（1）DTG曲線</b></p><p>　　圖3.7 浸漬法制備的催化劑的DTG譜圖</p><p>　　圖3.7為浸漬法制備的催化劑的DTG譜圖，從中可以發(fā)現(xiàn)，4種不同Cu含量的CuO-CeO2催化劑對碳顆

79、粒的催化燃燒溫度在300~350℃，各個催化劑的催化溫度差距不怎么明顯，其中以20%Cu含量的CuO-CeO2催化劑催化碳顆粒燃燒的溫度最低。</p><p>　　（2）H2-TPR表征</p><p>　　圖3.8所示為浸漬法制備的不同Cu含量的CuO-CeO2催化劑的H2-TPR譜圖。從圖中可以看出隨著銅含量的增加，其峰面積也越大。浸漬法制備的4中不同Cu含量的CuO-CeO2催化劑出

80、現(xiàn)的α、β兩個H2消耗峰在140~220℃之間。把（α+β）作為一種衡量標準，隨著銅含量增加，峰面積也增加。α和β的消耗峰是CuO的還原峰，而在820℃時出現(xiàn)的還原峰歸結為CeO2的還原。</p><p>　　圖3.8 浸漬法制備的催化劑的H2-TPR譜圖</p><p><b>　　（3）XRD表征</b></p><p>　　圖3.9 浸漬

81、法制備的催化劑的XRD譜圖</p><p>　　圖3.9所示為浸漬法制備的催化劑的XRD譜圖。和共沉淀法制備的催化劑的XRD譜圖一樣只能觀察到CeO2衍射峰而無法觀察到CuO的衍射峰，說明浸漬法制備的CuO-CeO2催化劑中銅物種的分散度也較高。從圖中測得的浸漬法制備的CuO-CeO2催化劑中的CeO2的粒徑大小為7.5nm左右。</p><p>　　4.2.4 沉積沉淀法制備的CuO-C

82、eO2催化劑的研究</p><p><b>　　（1）DTG曲線</b></p><p>　　圖3.10 沉積沉淀法制備的催化劑的DTG譜圖</p><p>　　圖3.10為沉積沉淀法制備的催化劑的DTG譜圖，從中可以發(fā)現(xiàn)，4種不同Cu含量的CuO-CeO2催化劑對碳顆粒的催化燃燒溫度基本處于同一溫度上，之間的偏差也只在10℃以內。說明沉積沉淀

83、法制備的CuO-CeO2催化劑，其Cu含量的多少對該催化劑對碳顆粒的催化燃燒的催化活性沒多大影響，可以忽略不計。</p><p>　?。?）H2-TPR表征</p><p>　　圖3.11所示為沉積沉淀法制備的不同Cu含量的CuO-CeO2催化劑的H2-TPR譜圖。從圖中可以看出隨著銅含量的增加，其峰面積也是越大。沉積沉淀法制備的4中不同Cu含量的CuO-CeO2催化劑出現(xiàn)的α、β兩個H2

84、消耗峰在150~200℃之間。把（α+β）作為一種衡量標準，隨著銅含量增加，峰面積也增加。α和β的消耗峰是CuO的還原峰，而在820℃時出現(xiàn)的還原峰歸結為CeO2的還原。</p><p>　　圖3.11 沉積沉淀法制備的催化劑的H2-TPR譜圖</p><p><b>　　（3）XRD表征</b></p><p>　　圖3.12 沉積沉淀法制備

85、的催化劑的XRD譜圖</p><p>　　圖3.12所示為沉積沉淀法制備的催化劑的XRD譜圖。和共沉淀法制備的催化劑的XRD譜圖一樣只能觀察到CeO2衍射峰而無法觀察到CuO的衍射峰，說明沉積沉淀法制備的CuO-CeO2催化劑中銅物種的分散度也較高。從圖中測得的沉積沉淀法制備的CuO-CeO2催化劑中的CeO2的粒徑大小為10.9nm左右。</p><p>　　4.2.5 不同研磨時間下共

86、沉淀法制備的CuO-CeO2催化劑的研究</p><p>　　圖3.13 不同研磨時間下共沉淀法制備的5%Cu含量的催化劑的DTG譜圖</p><p>　　圖3.13為不同研磨時間下共沉淀法制備的5%Cu含量的CuO-CeO2催化劑的DTG譜圖。從圖中可以看出催化劑和碳顆粒只是簡單的混合在一起的話，催化劑所表現(xiàn)出來的催化活性不高，幾乎沒有起到催化的目的。而把催化劑和碳顆?；旌虾筮M行研磨，使

87、碳顆粒和催化劑的接觸充分后，其的催化目的才得以體現(xiàn)。并且，隨著研磨時間的加長，碳顆粒和催化劑的接觸更加充分，催化效果更好。在25分鐘研磨后的碳顆粒燃燒溫度和30分鐘研磨后的燃燒溫度基本相同，說明在25分鐘時，碳顆粒已經(jīng)和催化劑達到了最充分的接觸。</p><p>　　4.2.6 不同制備方法中效果最好的催化劑的對比</p><p>　　圖3.14為4種制備方法中，催化效果最好的Cu含量的C

88、uO-CeO2催化劑以及CeO2單體意之間的DTG譜圖。如圖所示，4種不同制備方法制備的CuO-CeO2催化劑每種方法中效果最好的一個的催化效果要比單體的CeO2的催化劑效果都好。其中以浸漬法制備的20%Cu含量以及沉積沉淀法制備的20%Cu含量的CuO-CeO2催化劑的催化效果最好，它們的催化溫度最低并且是相同。</p><p><b>　　4.3 總結</b></p>&l

89、t;p>　　本實驗通過使用共沉淀法，檸檬酸絡合法，浸漬法以及沉積沉淀法4種不同方法各制備了四種不同Cu含量的CuO-CeO2催化劑。利用差熱天平，測試了CuO-CeO2催化劑對碳顆粒催化燃燒的性能。并對這些CuO-CeO2催化劑進行TPG 和XRD的表征。由實驗數(shù)據(jù)得到以下結論：</p><p>　　在H2-TPR譜圖中，不管是以何種制備方法制備的CuO-CeO2催化劑，它們都有α和β2個H2消耗峰，把（α

90、+β）作為一種衡量標準，隨著銅含量的增加，峰面積也增加。其中α和β的消耗峰是CuO的還原峰，而在820℃時出現(xiàn)的還原峰歸結為CeO2的還原。所以從TPR 譜圖中可見，各方法所制備的CuO-CeO2催化劑中都以20%Cu含量的催化劑的峰面積最大。</p><p>　　圖3.14 不同制備方法中各自效果最好的催化劑以及CeO2單體的DTG對比譜圖</p><p>　　從各種不同制備方法制備的催

91、化劑的DTG譜圖中，可以看出共沉淀法制備的CuO-CeO2催化劑以5%Cu含量催化碳顆粒燃燒的溫度最低；檸檬酸絡合法和浸漬法制備的催化以20%Cu含量催化碳顆粒燃燒的溫度最低。而用沉積沉淀法制備的CuO-CeO2催化劑其4中不同的Cu含量對碳顆粒的催化燃燒的催化效果基本相同。</p><p>　　對比所有制取的催化劑的DTG譜圖可以看出，浸漬法所制備的20%Cu含量的CuO-CeO2催化劑以及沉積沉淀法制備的Cu

92、O-CeO2催化劑相對于其他的CuO-CeO2催化劑對碳顆粒的催化燃燒的催化效果是最好的。</p><p>　　從共沉淀法和NMS絡合法制備的CuO-CeO2催化劑的XRD的譜圖可知，各樣品中的晶相結構表現(xiàn)相同，都表現(xiàn)出CeO2的特征衍射峰，但衍射峰的強度以及半峰寬的差別較大，其表明樣品它的晶化程度和CeO2的粒子大小不同。譜圖中只能觀察到CeO2衍射峰而無法觀察到CuO的衍射峰，說明4種方法所制備的CuO-Ce

93、O2催化劑中銅物種的分散度較高。</p><p><b>　　5. 結論與展望</b></p><p><b>　　5.1 結論</b></p><p>　　本論文采用共沉淀法，檸檬酸絡合法，浸漬法以及沉積沉淀法分別制備了4種不同Cu含量的CuO-CeO2催化劑，考察了各催化劑在碳顆粒的催化燃燒反應中的性能，同時對各催化劑

94、進行了TPR及XRD的表征。得到的主要研究結論如下：</p><p>　　浸漬法制備的20%Cu含量的CuO-CeO2催化劑以及沉積沉淀法制備的CuO-CeO2催化劑對碳顆粒的催化燃燒的催化效果最好。但是總的來說，這四種方法所制備的不同Cu含量的CuO-CeO2催化劑對于碳顆粒的催化燃燒的催化效果差別不是很大，催化溫度基本保持在300~350℃之間。而柴油機的排氣溫度一般在177~402℃，所以CuO-CeO2催

95、化劑用于柴油機尾氣碳顆粒的催化燃燒其活性還是不錯的。</p><p>　　在TPR譜圖中我們可以觀察到CuO-CeO2催化劑有α和β2個H2消耗峰，把（α+β）作為一種衡量標準，隨著銅含量的增加，峰面積也增加。其中α和β的消耗峰是CuO的還原峰，而在820℃時出現(xiàn)的還原峰歸結為CeO2的還原。在XRD的表征譜圖中我們觀察到各樣品的晶相結構相同，均表現(xiàn)出CeO2的特征衍射峰，但衍射峰強度及半峰寬差別較大，表明樣品的

96、晶化程度及CeO2粒子大小不同。而且XRD譜圖中我們無法觀察到CuO的衍射峰，說明在共沉淀法以及檸檬酸絡合法制備的CuO-CeO2催化劑中銅物種的分散度較高。</p><p>　　所以制備方法的不同以及含Cu量不同對于CuO-CeO2催化劑在碳顆粒催化燃燒中的活性沒有多大影響。</p><p><b>　　5.2 展望</b></p><p>

97、　　二氧化鈰基催化劑是近年來發(fā)展起來的一種新型催化劑材料，因其具有獨特的氧化還原和儲放氧性能，在化工和環(huán)保等領域有著廣泛的應用前景。</p><p>　　本研究首次將CuO-CeO2催化劑應用于柴油機尾氣的碳顆粒催化燃燒反應中，總結本論文的工作，認為以下問題應進一步的探討。</p><p>　　首先，在碳顆粒的催化燃燒中，可以嘗試提高CuO-CeO2催化劑的焙燒溫度，或者通過添加助劑或改進

98、制備方法，看其能否進一步提高CuO-CeO2催化劑的活性。</p><p>　　第二，本實驗對碳顆粒和催化劑采用的是緊密接觸既通過研磨是兩者之間能充分接觸，而在實際條件下，柴油機尾氣的碳顆粒和催化劑只能達到松散接觸。在松散接觸下如何讓催化劑的活性得以提高也是一個較迫切的問題。</p><p>　　第三，在碳顆粒的催化燃燒研究中，反應所生成的氣體中是否有CO，以及其含量的多少，如何減少催化反

99、應生成的氣體中的CO含量也需要深入的研究。</p><p>　　第四，由于柴油機排放的尾氣中雖然已碳顆粒為主，但是其他的一些排放物，如氮氧化物和碳氫化合物等對人體的危害也是很大的，所以研究催化劑如何同時去除柴油機排放尾氣中的有害物質將是一個大課題。</p><p><b>　　【參考文獻】</b></p><p>　　[1]LIU Jian (

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