论文总字数：21067字

摘 要

柴油车发动机因其高效等优点逐渐风靡全球。但是其柴油机汽车尾气也成为主要大气污染物之一。其中碳烟更是成为危害人类生存环境与人类健康的杀手之一。目前已经有很多方法减少碳烟排放，使用整体式催化剂催化燃烧技术，已经能够有效的消除碳烟。其中的金属基载体由于其价格便宜、机械强度大等优点而被广泛应用。此外，锰基催化剂具有独特结构和良好的活性，能够有效消除碳烟。

因此，本文主要研究了负载于AISI304金属丝网的锰基催化剂在碳烟颗粒消除方面的催化性能，通过考察对前驱体进行不同焙烧温度的影响以及其对碳烟催化燃烧的性能。并用XRD、Raman、FTIR、BET、SEM和H₂-TPR等表征手段进行材料分析以及Soot-TPO进行活性测试。分析结果表明MSS550和MSS700催化活性较好，高温焙烧后形貌由棒状变为块状。结合其表征和催化性能对比，以KMnO₄为原料通过水热合成法制备出的锰基整体式催化剂具有较好的催化活性以及高温稳定性。

关键词：碳烟 锰基整体式催化剂 催化燃烧

Study on Catalytic Performance of Manganese Based Monolith Catalysts for Soot Combustion

ABSTRACT

Diesel engines have become increasingly popular around the world due to their high efficiency and other advantages. However, its diesel exhaust has also become one of the major atmospheric pollutants. Among them, soot is one of the killers that endangers the human living environment and human health. At present, there are many ways to reduce soot emissions, in which monolithic catalytic combustion technology is used to effectively eliminate carbon soot. Among them, metal-based carriers are widely used because of their advantages such as low cost and large mechanical strength. In addition, the manganese-based catalyst has a unique structure and can exhibit good activity for eliminating soot.

Therefore, this paper mainly studied the catalytic performance of manganese-based catalysts supported on AISI304 wire mesh in the elimination of soot particles by examining the effects of different calcination temperatures on the precursors and their catalytic performance for soot combustion. XRD, Raman, FTIR, BET, SEM and H₂-TPR were used for material analysis and Soot-TPO activity testing. The analysis results showed that the catalytic activity of MSS550 and MSS700 was better, and the morphology changed from rod to block after high temperature calcination. Combined with its characterization and catalytic performance comparison, the manganese-based monolithic catalyst prepared by hydrothermal synthesis with KMnO₄ as raw material has good catalytic activity and high temperature stability.

Key Words: Soot; Manganese-based monolithic catalyst; Catalytic combustion;

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪 论 1

1.1 引言 1

1.2 柴油机尾气的危害 1

1.3 柴油机尾气颗粒处理技术 2

1.4 整体式催化剂的选择 4

1.4.1 陶瓷基体 4

1.4.2 金属基体 5

1.5 研究意义与内容 6

第二章 实验部分 7

2.1 主要实验材料及实验仪器 7

2.1.1 实验材料 7

2.1.2 实验仪器 7

2.2 实验内容 7

2.3 催化剂的表征 8

2.3.1 X射线衍射仪（XRD） 8

2.3.2 拉曼光谱（Raman） 8

2.3.3 红外光谱（FTIR） 8

2.3.4 N₂吸附-脱附（N₂ adsorption-desorption） 9

2.3.5 扫描电子显微镜测试（SEM） 9

2.3.6 氢气程序升温还原（H₂-TPR） 9

2.4 催化剂活性测试 9

第三章 结果与讨论 10

3.1 XRD分析 10

3.2 Raman分析 11

3.3 FTIR分析 12

3.4 BET分析 13

3.5 SEM分析 14

3.6 H₂-TPR分析 15

3.7 活性测试 16

第四章 结论与展望 18

参考文献 20

致谢 24

第一章 绪 论

1.1 引言

环境污染第一次出现在人们的视野，是在产业革命的时候。当时产业革命时期人们只顾着生产，不顾对环境的污染，以至于颗粒污染物造成的大气危害造成了严重后果。二十世纪中期世界发生了一系列的大气污染事件，每次都造成众多人员的伤亡。如比利时马斯河谷烟雾事件，一周之内导致了几千人受害发病，60人死亡。1952年，英国伦敦发生烟雾事件，在五天内导致4000人死亡等^[1]。由于其可靠性，耐用性和燃油经济性，柴油发动机广泛用于轻型和重型车辆。 今天，柴油发动机仍可称为高效内燃机，因此被广泛应用于世界各地越野车辆和重型卡车^[2]。 近年来，人们乘用车用柴油发动机的使用量也显示大幅增加，比如，现今西欧的新车注册量已将近51.9％（约700万辆）^[3]。可是，柴油机尾气中所含的氮氧化物（NO_x）以及颗粒物质（PM）被认为是对健康有严重危害的污染物^[4]。 所以为了满足全球未来的排放标准，排放废气诸如柴油颗粒捕集器和DeNO_x系统等控制技术将是必要的^[5]。

1.2 柴油机尾气的危害

二十一世纪以来，气候变化和全球变暖日益引起关注，颗粒物污染已经影响到了环境和相关的公共健康，是我国的主要空气污染之一。所以我们制定了相关措施来控制污染物排放到大气中。一些流行病学以及毒理学研究表明，化石燃料燃烧过程中产生的细颗粒和超细颗粒物质中的含碳颗粒物（PM）可能是发病率和心肺死亡率的危险因素，特别是在大型城市中心。此外，温室气体会增加这些不利影响^[6]。 NO_x，CO_x和碳烟颗粒已引起严重的环境问题，如酸雨，光化学烟雾，温室效应和全球变暖，此外还破坏臭氧层。我国作为一个发展中国家，重工业正在崛起，化石燃料在国家发展中也占据重要位置，而化石燃料燃烧所产生的碳烟是空气中颗粒物质的重要组成部分。颗粒物质（PM）自然存在于大气中，释放到大气中的大多数PM来自化石燃料燃烧。柴油发动机产生的PM确实对人类健康有负面影响，事实上，柴油机尾气造成的环境污染急剧上升，增加了人口中肺部疾病的流行率。柴油PM可以通过（通过使用更高的温度和过量的氧气）在电动机中更好地燃烧，但随后NO_x升高 ^[7]。因此，人们采取立法的措施用以限制这两种污染物。现有两种可能的方式来达到PM/NO_x限制：PM—过滤器或NO_X处理。从2005年开始，欧洲商用车将陆续推出为人所知的SCR（选择性催化还原NO_x）技术，以满足欧洲Ⅳ（2005）和欧洲Ⅴ（2008）排放标准^[8]。在美国，大多数重型柴油车辆将不得不在2007年配备过滤器，以符合美国环境保护署的标准^[9]。在乘用车中，PM过滤器自2000年开始实施。改造市场预计也将大幅增加，德国预计将有约700,000台PM过滤器改装乘用车。并且SAE出版物定期对柴油机排放控制技术进行全面审查^[10]。

因此，随着全世界对环境问题和人们健康问题日益重视，而且柴油机尾气排放标准也日益严格，人们迫切的需要研发一种有效柴油机尾气净化催化过滤器 ^[11]。

1.3 柴油机尾气颗粒处理技术

由于汽车尾气颗粒物和氮氧化物对环境有害，因此，众多国家已经陆续颁布出与污染排放控制相关的严格立法标准 ^[12]。2017年将实施的标准欧Ⅵ就规定将轻型车辆排放的颗粒物质值保持在0.0045 g/km以上，每公里发射的颗粒物最大数量达到6.1011，但将氮氧化物量从0.18降至 0.08 g/km^[13]。上述欧盟规定的值不能仅通过修改发动机或通过向燃料添加促进剂来实现，并且废气的后处理也是强制性的。到目前为止，减少颗粒物质的最适当处理技术在于使用能够保留碳烟颗粒的过滤器。这些过滤器应具有化学稳定性、热稳定性和机械稳定性 ^[14]。 此外，它们应该具有良好的过滤能力，以有效地保留柴油机排气中存在的碳烟颗粒^[15]。

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