[发明专利]用电场激活稀土氧化物及其复合氧化物催化剂的活性

说明书

技术领域

本发明属于催化领域，具体涉及一种激活稀土氧化物及其复合氧化物催化剂活性的方法。

背景技术

铈(Ce)等稀土元素的氧化物是工业上广泛使用的催化剂，用来净化废气，废水和脱氢等。作为三效催化剂(three-way catalysts，以下简称“TWC”)，目前它们最主要的应用是处理汽车尾气。TWC是用来处理一些常见的污染气体，如CO、NO_x和没有燃烧的碳氢化合物等等。TWC的功能是在富燃料的条件下提供额外的氧使燃料充分燃烧，而在燃料不足的条件下，从外界环境中吸收氧并存储起来。铈(Ce)的氧化物在TWC中的作用的核心原理是铈能够以正三价(3+)和正四价(4+)的形式存在，能够在较高温度下发生氧化-还原反应，而且其氧化物有很高的氧迁移率。与其他材料相比，工业上选择铈的氧化物还有其他一些因素，比如它能容易地与其它金属形成稀土复合氧化物，从而具有较高的热稳定性和高的氧存取容量(Oxygen storage capacity，OSC)。但基于铈氧化物的汽车尾气处理催化剂存在一些不足，比如冷启动的问题，就是汽车在开始启动后接下来的一段时间内(一般是几十秒)，催化剂会因为达不到它的工作温度而不具有催化性能，造成发动机排放的有害气体不能被氧化处理，而达不到净化的效果。铈氧化物催化剂的正常工作温度指的是有两个条件需要同时满足的温度：一是待处理气体成分与铈氧化物能够发生反应；二是铈氧化物氧含量低的相(即Ce₂O₃相)能够稳定存在。CO、NO在室温就能与CeO₂反应，一些常见的碳氢化合物如甲烷、乙烷在室温附近也能与CeO₂发生反应(见A.Trovarelli，Catalytic properties of ceria and CeO₂-containing materials，Catalysis Reviews-Science and Engineering，1996，38：439-520)。但是这些反应仅仅局限于氧化物表面的少数氧离子。因为在室温附近，铈氧化物的稳定相是高氧含量相(即CeO₂相。氧的化学势维持着整个化学平衡，在室温附近它会阻碍铈氧化物失氧，从而保持铈氧化物处于高氧含量相。因此，这类氧化物在室温或较低温度下不具有催化性能。

早在1964年，D.J.M.Bevan和J.Kordis(见D.J.M.Bevan，J.Kordis，Mixed Oxides of the Type MO₂(Fluorite)-M₂O₃，1.Oxygen Dissociation Pressures and Phase Relationships in the System CeO₂-Ce₂O₃ at High Temperatures，J.Inorg.Nucl.Chem，1964，26：1509-1523)就发现铈可以在正四价和正三价之间转换，也就是说该氧化物可以在缺氧的条件下释放氧，又能在富氧的条件下吸收氧。汽车尾气处理的研究开始于上个世纪60年代，在70年代有了很大的进展，CeO₂开始作为汽车尾气处理催化剂的一种关键成分来使用。1975年，美国开始使用CeO₂去除含有有毒物质的汽车尾气，日本和欧洲在80年代也开始使用这种催化剂。现在，世界上大部分的小汽车，大汽车，卡车都安装有用这种催化剂制作的尾气处理装置(见A.Trovarelli，Catalytic properties of ceria and CeO₂-containing materials，Catalysis Reviews-Science and Engineering，1996，38：439-520和M.Shelef，R.W.McCabe，Twenty-five years after introduction of automotive catalysts：what next？Catalyst today，2000，62：35-50)。