[发明专利]新型三元催化纳米轻稀土储氧材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型三元催化纳米轻稀土储氧材料及其制备方法，属于稀土氧化物储O-储NO_x复合纳米催化材料的制备技术领域。

背景技术

汽车尾气污染是世界城市大气污染的主要来源,已经对市民健康和生存环境构成严重威胁，并引起全球气候变暖。发达国家如美国、欧洲共同体和日本执行着极为苛刻的汽车尾气排放标准。我国环保意识的日益增强，要求北京的机动车尾气净化满足欧IV标准，对其它城市机动车尾气排放的要求也日趋严苛。开发、应用具有民族自主产权的机动车尾气净化技术是我国有效控制城市大气污染的重要举措和研发方向。

全世界的机动车由2000年的7亿辆、在2010年预计达到9.2亿辆。北京的机动车由2007年的300万辆、在2010年预计升至440万辆，尾气排放的NO_x和CO占据了该物质对大气环境总排放的70％以上。世界对汽车的尾气排放制定了越为苛刻的标准：由1960年代不限制排放的40-60g CO/km、在2005年限制为1g CO/km、0.08g NO_x/km和0.1g CH/km（欧IV标准）、耐久性达到200,000公里，并将于2010年执行欧V标准，汽车尾气排放限制到1g CO/km、0.06g NO_x/km和 0.075g CH/km。从2007年起我国执行欧III标准，在2010年预计推行欧IV标准，耐久性要求100,000公里。

三元催化是机动车尾气净化的重要理论依据和研究指向。自1980年代以来，国际普遍使用了CeO₂－Al₂O₃作为三元催化储氧和储氮氧化物材料载体，并逐渐研究发展了比CeO₂－Al₂O₃具有更高储氧量和热稳定性的ZrO₂－CeO₂－Al₂O₃三元催化材料。苛刻的汽车尾气排放标准使三元催化技术面对新的挑战。一个突出的困难是现有三元催化只能在高温下（>600K，起燃温度一般在513-620K）充分转化尾气（>95％）。因此，新型的密耦催化剂（close-coupled catalyst）必须在冷启动（HC的大量排放）的短时间内（3-15秒）快速攀升到足以催化转化尾气（>98％）的温度。此外，在更高温度（1273-1373K）下具有持久稳定性并具备更高的储氧能力是面临的另一个新挑战。简言概括，新型三元催化净化技术要求：低温起燃（快速升温）、高储氧量、高温耐久。铈锆固溶体在机动车尾气的净化中具有良好的储放氧性能并成为通用的汽车尾气净化催化材料。

发明内容

本发明的目的是在于提供一种高储氧量、高温耐久、成本较低的三元催化纳米轻稀土储氧材料及其制备方法。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现，并取得有益的技术效果：

采用“超声膜扩散”方法制备得到储氧材料Ln _xZr_1-xO₂，所述方法的具体步骤为：

（1）先将10.0 g PVP溶于200mL去离子水中，再将0.83 g NH₃·H₂O溶于50mL去离子水中，然后将两种溶液混合置于玻璃反应釜中，并将玻璃反应釜置于超声波发生器槽内；

（2）将Ln(NO₃)₃ 和ZrO(NO₃)₄按照原子化学配比为1:2的比例配制成混合溶液；

（3）在超声波和机械搅拌条件下，将50mL浓度为4.2g/L的Ln(NO₃)₃和 ZrO(NO₃)₄混合溶液用柱塞泵以1.8mL/min的流量通过聚偏氟乙烯中空纤维膜渗透加入到步骤（1）的反应体系溶液中，使金属离子沉淀，使最终溶液的pH值保持在一定范围内；

（4）将步骤（3）中的最终溶液静置12小时后进行过滤；

（5）用去离子水反复洗涤沉淀4遍；

（6）在100℃烘干至少24小时制得储氧材料前驱体粉体；

（7）在马弗炉中烧结，样品x＝0.4～0.6时的烧结温度用700℃；其余用650℃，均焙烧2.5小时制得新鲜储氧材料；

（8）将新鲜储氧材料经过950℃焙烧5小时制得老化处理的储氧材料。