柴油车尾气净化催化剂制备、表征及性能测试实验报告

1、 广州大学化学化工学院本科学生综合性、设计性实验报告实验课程 化学工程与工艺专业实验 实验项目 化学工程与工艺专业实验 专 业 精细化工 班 级 08精工 学 号 0813020060 姓 名 赖家雄 指导教师及职称 梁红教授 开课学期 2011 至 2012 学年 第一 学期时 间 2011 年 11 月 20 日柴油车尾气净化催化剂制备、表征及性能测试化学化工学院 08精工 0813020060 赖家雄摘要： 本实验通过小组设计方案，制备柴油车尾气净化催化剂及其表征和性能进行测试。目的是掌握柴油车尾气处理净化催化剂的制备方法，并了解催化剂的制备过程中影响催化剂性能的各种因素；了解催化剂活性

2、测试方法和仪器的构成和使用方法；学会用X-射线衍射仪（XRD）测定催化剂的晶相结构。学会用FT-IR测定催化剂的结构。预习实验报告了解了柴油车尾气的危害，同时了解沉淀法制备催化剂的主要方法，以氧化铝为载体进行制备。关键词:柴油车尾气; 危害；催化剂制备方法; 温度：数据处理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

3、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。实验内容一、实验目的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。

4、二、实验内容1资料查阅及实验方案的设计通过查阅文献资料，了解本实验项目的基本原理、国内外发展概况及开展本实验项目的意义，并根据现有的实验条件进行实验方案的设计。一项科学的试验设计方法应能做以下两点：在试验安排上尽可能地减少试验次数。在进行较少次数试验的基础上，能够利用所得的试验数据，分析出指导实践的正确结论，并得到较好的结果。正交试验设计是研究多因素多水平的一种设计方法，它是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些有代表性的点具备了“均匀分散，齐整可比”的特点，是一种高效率、快速、经济的实验设计方法。本实验要了解催化剂制备中哪些因素对催化剂的活性有影响，如活性组分的含量，催化

5、剂制备过程中的干燥时间和温度及焙烧温度与时间等，确定影响因素及水平，并设计正交实验表。2催化剂制备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。 共沉淀法是指在溶液中含有两种或多种阳离子，它们以均相存在于溶液中，加入沉淀剂，经沉淀反应后，可得到各种成分的均一的沉淀，它是制备含有两种或两种以上金属元素的复合氧化物超细粉体的重要方法。 共沉淀法，就是在溶解有各种成份离子的电解质溶液中添加合适的沉淀剂，反应生成组成均匀的沉淀，沉淀热分解得到高纯纳米粉体材料。共沉淀法的优点在于：其一是通过溶液中的各种化学

6、反应直接得到化学成分均一的纳米粉体材料，其二是容易制备粒度小而且分布均匀的纳米粉体材料。3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WJ6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（Ti）及

7、最大燃烧速率时的温度(TC)。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。4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

8、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

9、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Tm表示。反之，如果两种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

10、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10-8molH2的还原反应。三、实验仪器与药品1、实验仪器常规的玻璃仪器，电子天平，干燥箱，马弗炉，WJ6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）

11、。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、实验步骤选用第7组的数据进行实验（1）分别计算铝、铈、铜的硝酸盐溶液（Al(NO3)39H2O，Ce (NO3)36H2O，Cu(NO3)23H2O）及碳酸氢钠溶液所需用量（利用3g氧化铝及第7组数据可算出实验需要22.066g Al(NO3)39H2O；1.713g Cu(NO3)23H2O；0.093g Ce(NO3)36H2O；20g碳酸氢钠） (2)混合所需的铝、铈、铜的硝酸盐溶液，加入蒸馏水稀释配成一定浓度的250ml溶液放入分液漏斗中，备用；将20g碳酸氢钠加入蒸馏水

12、稀释，配制成300ml溶液放入到分液漏斗中，备用。 （3）在恒温75、pH=9的条件下，将碳酸氢钠溶液和上述硝酸盐混合溶液逐滴加入到烧杯中，约1.5小时滴加混合沉淀完全后，陈化0.5小时。 （4）对所得溶液进行抽滤，边抽滤边用蒸馏水多次洗涤至PH约等于7. （5）在150下对所得催化剂进行干燥约7小时，称重记为W1。 （6）把干燥后的催化剂放入马弗炉中，在400下焙烧5小时，称重记为W2。 （7）对所得催化剂进行活性评价。正交表为了制备性能较好柴油尾气净化催化剂，实验过程中主要考虑了3个因素对产品性能的影响其中分别是A:氧化铝与金属盐（Cu、Sn）的摩尔比、B:焙烧时间、C:焙烧温度，并设计了

13、三因素三水平的正交试验表，具体实验方案见表1和2。表1正交实验的因素和水平 因素水平 A 摩尔比 B 焙烧温度 C 焙烧时间/h 1 1:1 4003 2 2:1 7004 3 3:1 10005表2正交实验设计表 因素实验号A（Cu）B(Ce)C(温度C)11%1 %40021%3%70031%9%100045%1%70055%3%100065%9%400715%1%1000815%3%400915%9%700五、实验数据处理第1组Cu1%,Ce1%,400C起燃温度363C ，二氧化碳浓度达到最大值时的温度520第2组Cu1%,Ce3%,700C起燃温度360C ，二氧化碳浓度达到最大值时

14、的温度642第3组Cu1%,Ce9%,1000C起燃温度345C ，二氧化碳浓度达到最大值时的温度450 第4组Cu5%,Ce1%,700C起燃温度442C ，二氧化碳浓度达到最大值时的温度560 第5组 Cu5%,Ce3%,1000C 起燃温度350C，CO2浓度达到最大值时的温度为540C第6组 Cu5%,Ce9%,400C起燃温度345C，CO2浓度达到最大值时的温度为560C第7组 Cu15%,Ce1%,1000C起燃温度320C，CO2浓度达到最大值时的温度为460C第8组 Cu15%,Ce3%,400C起燃温度260C，CO2浓度达到最大值时的温度为500C第9组 Cu15%,Ce

15、%,温度700C，起燃温度260C,CO2最高浓度时温度440C。六、实验结果分析极差就是平均效果中最大值和最小值的差。有了极差，就可以找到影响指标的主要因素，并可以帮助我们找到最佳因素水平组合。通过上面极差表分析可以看出，Cu的极差值为99，Ce的极差值为58.3，焙烧温度值为31.3。所以对催化剂效果影响最大的是Cu的含量，其次是Ce含量，最后为焙烧温度。 颗粒物的起燃温度（Ti）及最大燃烧速率时的温度(TC)。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。实验中通过设计正交实验表，将实验分为九个实验点。从上面图形趋势，以及对得到的Ti 与Tc进行比较，其中配方Cu含量在15%时的起燃温度普遍最低，最小为260C，同时Ce含量为9%，焙烧温度为700C时，最大燃烧速率是温度Tc为440C所以第九组配方所得出来的催化剂效果最为理想。即Cu含量为15%，Ce含量为9%，焙烧温度为700C。由于本次实验分组较多，需要数据较广。个别组的实验数据误差或错误可能导致总体结果分析有偏差，但是通过本次实验研究，小组成员都提升了实验研究方案思考，实验操作，数据分析方面的能力，同时学会了协作精神，受益匪浅。参 考 文 献1 王建昕，傅立新，黎