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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。
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(NOx) ；微粒(PM）碳黑颗粒因为尾气中O2含量较高，而PM的排放量约为汽油机的几十倍。
因此,降低NOx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。
柴油车尾气微粒消除的新型催化剂研究摘要：柴油机尾气排放控制研究是目前内燃机研究领域内的一个重要课题。
通过对当前我国柴油车尾气微粒消除研究现状分析，提出了柴油机尾气微粒消除新型催化剂的制备和实验方法研究。
关键词：柴油机车尾气处理催化剂为了满足日益苛刻的汽油车和柴油车的尾气排放标准，世界各国加大了处理汽车尾气的研究力度，其中后处理技术在近些年得到了飞速的发展。
在众多的尾气处理中，公认尾气过滤技术是比较实用且成熟的尾气处理技术，其主要技术难点在过滤体的再生和在富氧条件下NO某的消除上。
1.柴油车尾气微粒消除研究现状分析国内对催化剂的研究能真正达到实用要求的仍是贵金属催化剂，活性成分主要是贵金属Pt和Rh，含量在1.5g/L以上。
非贵金属催化剂和低含量贵金属催化剂质量尚未完全过关，因此，迫切需要加强这方面的研究。
在柴油机尾气中，炭烟颗粒（PM）和NO某是主要控制对象，并且与汽油机相比，柴油机具有硫化物含量高、氧气浓度通常偏高、排气温度在高温区域和存在粒子状物质等特点，所以，现在通常使用的适合于净化汽车尾气的催化剂并不能满足我们的要求。
采用壁流式蜂窝陶瓷作为催化剂的载体，用复合金属氧化物作为催化剂的活性组分，更适合我国使用的柴油车尾气净化催化剂。
与汽油机相比，柴油机尾气中的炭烟颗粒的含量比较高。
这种炭烟颗粒粘性很大，当它附着在催化剂的表面的时候不容易脱落。
当一定量的炭烟颗粒沉积到催化剂表面的时候，很容易覆盖住催化剂的活性位，使催化剂失活。
所以，炭烟颗粒的氧化是净化柴油机尾气的最重要的任务。
2.柴油机尾气微粒消除实验研究2.1.催化剂的制备试验所用的过滤体为美国Corning公司生产的壁流式蜂窝陶瓷，成分为堇青石。
以堇青石为主要成分的壁流式蜂窝陶瓷为载体，取一定质量的Ce（NO3）3配成指定浓度的盐溶液。
将空白的过滤体浸入该溶液8小时，然后在空气中阴干5小时，接着放入烘箱中在150℃的温度下干燥0.5小时，最后在400℃的温度下焙烧1.5小时。
车用尾气催化剂工作性能的模拟与分析方法车用尾气催化剂在治理汽油机废气中发挥了重要的作用。
然而，由于尾气催化剂的工作性能受到多种因素的影响，因此，模拟和分析其工作性能大有必要。
本文综述了模拟和分析尾气催化剂工作性能的基本原理、技术指标和最新研究进展，以及几种模拟和分析尾气催化剂工作性能的方法。
一、拟和分析尾气催化剂工作性能的基本原理尾气催化剂一般是指在热力学和动力学条件下，利用金属及其化学氧化物、有机金属和陶瓷等制成的催化剂，作用于机械或物理的有毒汽油尾气的综合过程。
它主要是在高温条件下将汽油机废气中的有机污染物进行催化氧化转化，从而在比较短的时间内将有毒污染物完全或部分氧化转化为不污染物质。
通常，尾气催化剂涉及到多个物理和化学反应，是一种复杂的工艺过程。
二、模拟和分析尾气催化剂工作性能的技术指标模拟和分析尾气催化剂工作性能的技术指标主要包括：催化剂的总活性，表面活性，团聚体含量，表面形貌，催化剂的结构参数，催化剂的热分解特性，催化剂的还原性能，催化剂的抗热压失效性，催化剂的抗烟灰沾附性，以及催化剂的结构安定性等。
三、模拟和分析尾气催化剂工作性能的最新研究进展（1）热性能方面的研究：科学家们在模拟和分析尾气催化剂工作性能方面取得了非常重要的成果，其中包括了改善催化剂性能，增强催化剂热稳定性，以及提高催化剂热抗力等。
（2）颗粒物控制技术方面的研究：科学家们也对尾气催化剂的颗粒物控制技术进行了深入的研究，旨在改善催化剂的分散性，增强催化剂的颗粒物控制能力，以及改善催化剂的吸附性能等。
四、几种模拟和分析尾气催化剂工作性能的方法（1）实验法：采用实验法来模拟和分析尾气催化剂工作性能，主要是测量催化剂在不同操作条件下的活性、耐热性和耐奥氏体化性能等性能指标。
（2）数值模拟法：采用数值模拟法来模拟和分析尾气催化剂工作性能，主要是利用计算机软件，模拟催化剂的工作过程，掌握催化剂工作性能的变化等。
（3）理论计算法：采用理论计算法来模拟和分析尾气催化剂工作性能，主要是利用分子动力学（MD）和分子结构模拟（MSAME）等方法，分析催化剂的热活性及其与各种因素的相互关系。
柴油汽车尾气净化催化剂及制备方法和净化装置2016-11-23 13:29来源：内江洛伯尔材料科技有限公司作者：研发部柴油汽车尾气净化催化剂及制备方法和净化装置柴油车尾气具有复杂的化学組成，且随着发动机的エ况变化，尾气组成也显著不同，其排放的污染物中含有碳烟颗粒物(PM)、烃类(HC)、C0和NOx等。
因为尾气中02含量较高，故HC和C0排放量较少，一般只有汽油机的1/10，NOx排放量与汽油机大致相同，而PM的排放量约为汽油机的几十倍。
近年来，国内在单一四效净化催化剂研究方面取得了积极进展，如中科院生态环境研究中心开发了一种在含S02气氛下能选择性去除HC、C0和N0X的催化体系，主要包括多孔无机物载体和贵金属Pt、Au和Ag等，N0X的转化率最高超过90%，但是对PM的消除非常有限。
中国石油大学(专利号为200710307416.8，名称为:同时消除柴油机尾气四种污染物的组合催化剂和净化方法)公开了ー种在不同比表面的A1203上负载钙钛矿复合氧化物La0.8K0.2Mn03催化剂，该催化剂对于C0和碳颗粒的燃烧活性较好，起燃温度显著降低，生成C02的选择性高于95%，烃类在较低温度下的转化率为90%，但是对N0选择还原为N2的催化性能还有待进ー步提高。
目前国内柴油车尾气净化器产品总的来说技术还比较落后，无法满足国IV及以上柴油车尾气排放标准要求。
本文的第一目的是提供一种柴油汽车尾气净化催化剂，所述催化剂和装置采用D0C 与⑶PF组合技术，通过前端D0C将尾气中的HC、C0以及PM中的有机物(S0F)氧化去除，同时将N0转化为还原性更强的N02，以利于N02与C的反应，达到去除N0的目的，同时降低C的燃烧温度，依靠柴油车自身温度实现微粒过滤器的再生，具有净化效率高，使用方便等特点。
技术方案如下：(1)载体的活化处理：用去离子水或PH = 8〜10的弱碱性溶液分别浸泡第一载体和第二载体lOmin.〜30min.，300°C〜450°C下焙烧 30min ；(2)涂层的制备：1)第一涂层①按权利要求1所述的第一涂层组分的配比称取除Ba盐外的相应硝酸盐，用少量去离子水加热溶解，得混合硝酸盐溶液；②称取权利要求1所述的第一涂层配比中Ba量的Ba(CH3C00)2，加去离子水溶解，得到含Ba离子溶液；③称取权利要求1所述的第一涂层配比的Y-A1203粉，加入步骤①所述上的混合硝酸盐溶液，搅拌90-110min，得到混合溶液；④将步骤②所得含Ba离子溶液漫漫注入步骤③所得混合溶液中，边加边搅拌，得浸液；⑤将步骤④所得浸液以250r/min转速下球磨1小时，得到第一涂层浸液；2)第二涂层①按权利要求1所述的第二涂层组分的配比称取相应硝酸盐，用少量去离子水加热溶解，得混合硝酸盐溶液；②称取权利要求1所述的第二涂层配比的Y-A1203粉，加入步骤①所述上的混合硝酸盐溶液，搅拌8-15min，得到浸液；③将步骤②所得浸液以250r/min转速下球磨1小时，得到第二涂层浸液；(3)涂层浸溃：分别将活化处理后的第一载体浸入第一涂层浸液中，第二载体浸入第二涂层浸液中，浸泡时间30〜60min，取出，在0.3MPaN2下吹空，80°C烘干；4)涂层焙烧：经步骤(3)处理的第一载体和第二载体在马弗炉中450°C〜600°C下烧结lh，随炉冷却，称重，计算涂覆率；使第一涂层重量为第一载体重量的20%〜50% ;第二涂层重量为第二载体重量的10%〜20% ;(5)活性剂溶液配制:按照权利要求1中活性剂组成的配比配制，以可溶性氯钼酸、氯钯酸、三氯化铑或硝酸盐的形式加入；(6)负载活性剂:将⑷中载体浸入溶液(5)，时间5小吋〜20小时，在0.2MPaN2下吹空，80°C烘干2小时，400°C〜600°C焙烧2小时，400°C〜600°C氢气还原2小时，氢气流量:40ml.mirf1 〜80ml.mirf1 ；。
柴油车尾气净化催化剂制备、表征及性能测试
第七小组：赖家雄、田裕昌、黄卫国、邓伟明、李恒、陈鹏
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
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
的还原反应。
用。
TPR法灵敏度高，能检测出只消耗10-8molH
2
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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