[发明专利]内燃机排气净化用Au纳米催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种内燃机排气净化用Au纳米催化剂及其制备方法，属于汽车排放控制及环保技术领域。

背景技术

随着世界范围汽车保有量的增加，汽车排放污染物对大气环境造成的污染受到前所未有的关注，世界各国汽车排放限制标准逐步提高。在目前技术背景下，单纯通过改善内燃机工作过程来满足排放法规已变得越来越困难，因此各种排气后处理技术及装置应运而生。目前，应用于内燃机排气净化用催化剂主要活性成分为Pt、Pd和Rh等贵金属，简称PGM（Platinum Group Metal），它们对CO、HC和NO_x具有很高的催化转化效率，但Pt、Pd和Rh等贵金属资源奇缺且价格昂贵。目前，每年用于汽车排放后处理器的Pt、Pd贵金属用量已达到全世界Pt、Pd年产量的50%，而Rh用量已达到世界年产量的80%，且用量逐年增加。因此，为了降低整车成本及节约稀有贵金属资源，开发较低PGM用量且具有较高催化净化效率的后处理器是汽车排放净化装置的重要发展方向。

近几十年来，人们对贵金属催化剂的微观结构和催化性能进行了深入细致的研究。尤其是近年来随着纳米科技的发展，对于固体催化剂微观结构的研究已深入到纳米尺度，使得人们更清楚地认识到催化剂活性与其微观结构关系密切相关，从而有目的地指导制备具有一定微观结构的催化剂。

日本马自达汽车公司开发了纳米级三元催化剂(TWC)采用独特的细微构造，在涂层材料中分布微小的纳米级PGM粒子，粒子大小在10nm以下，使催化剂表面活性和催化能力大幅增强。但其催化剂活性成分仍采用PGM贵金属。

由于Au纳米催化剂对CO和挥发性有机物（VOCs）特有的低温催化活性及Au相对于Pt、Pd和Rh等贵金属具有更大储量且价格低廉的特点，国内外有关研究机构相继开展Au纳米催化剂应用于汽车尾气净化的研究。美国卡特彼勒公司使用多孔二氧化硅载体、氧化铝载体、稀土载体及过渡金属氧化物载体，通过沉积沉淀法、离子交换技术制成各种不同的Au纳米催化剂，Au纳米粒子小于20nm，实验表明Au纳米催化剂对CO和VOCs表现出较好的低温催化活性。研究推广使用Au纳米催化剂，对降低Pt、Pd和Rh等贵金属的用量、降低汽车生产成本及推进汽车工业可持续发展具有积极和深远的意义。但是，现有的Au纳米催化剂的颗粒尺寸较大，导致Au纳米催化剂活性偏低，还不能满足内燃机排气净化的需求，因此，需要进一步改进Au纳米催化剂的制造工艺，研究新的Au纳米催化剂的制造方法，以减小Au纳米催化剂的颗粒尺寸，提高其催化活性，使其能够广泛应用于汽车排放净化装置中，成为Pt、Pd和Rh等贵金属的替代品。

发明内容

本发明的目的在于提供一种内燃机排气净化用Au纳米催化剂及其制备方法，所述催化剂具有较高的低温催化活性，能够替代Pt、Pd和Rh等贵金属，用于净化内燃机排气中的CO和VOCs，在内燃机排气净化催化剂领域具有巨大的应用潜力；所述催化剂能够降低汽车排放净化装置的生产成本，有助于推进汽车工业的可持续发展。

本发明的目的由以下技术方案实现：

一种内燃机排气净化用Au纳米催化剂，所述催化剂以金属氧化物纳米线为载体，以Au纳米微粒的形式沉积在载体的顶端，所述催化剂的粒径为5~10nm；其中，所述金属氧化物为ZnO、TiO₂或Al₂O₃。

本发明所述的内燃机排气净化用Au纳米催化剂的制备方法为采用气-液-固(Vapor-Liquid-Solid，VLS)机理的气相沉积法制备Au纳米催化剂，步骤如下：

步骤1，利用磁控溅射技术在石英片基底上制备Au纳米微粒点阵，使Au纳米粒子尺寸控制在5~10nm以下，得到生长Au/金属氧化物纳米材料的模板；

步骤2，将石墨粉末和金属氧化物粉末混合并研磨，得到均匀混合物；所述石墨和金属氧化物的物质的量比为1:1；

步骤3，将两台管式加热炉串联在一起，分别为上游管式加热炉和下游管式加热炉，将两个加热槽分别置于两台管式加热炉中，构成一个双加热槽化学气相沉积系统，将步骤2得到的均匀混合物置于上游管式加热炉的加热槽中，将步骤1得到的模板置于下游管式加热炉的加热槽中，两个加热槽间距离为5~10cm，向管路内通入含5%氧气的惰性气体Ar，使气体从上游管式加热炉流向下游管式加热炉，流量为30~50ml/min；

步骤4，将上游管式加热炉的温度控制在1100~1150℃，下游管式加热炉的温度控制在950~1000℃；