[发明专利]一种碳烟脱除催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种碳烟脱除催化剂，包括氧化钇稳定的氧化锆纳米纤维，其特征在于，所述纳米纤维具有二级孔道结构，即纤维之间的超大孔隙和纤维表面大孔。所述氧化钇稳定的氧化锆纳米纤维表面及纤维表面大孔结构内还均匀分布有纳米Ag颗粒。本发明通过加入造孔剂进行静电纺丝的技术，再结合高温氧化煅烧去除内埋模板的工艺，将银负载的氧化钇稳定氧化锆材料（Ag/YSZ）制成具有二级孔道结构的纳米纤维。本发明具有良好的催化活性，兼具能够填装碳烟团簇的超大孔和能够匹配碳烟颗粒的大孔，进而可与碳烟充分接触，提高了碳烟与催化剂的接触性。在该催化剂存在下，以模拟机动车尾气气氛，能将碳烟转化达到50%的温度（T₅₀）降低到430°C以下，具有极大的应用价值。

技术领域

本发明属于烟气净化技术领域，特别涉及一种尾气碳烟脱除催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

随着全球汽车数量的迅速增加，汽车尾气逐渐成为大气污染排放的首要污染源。尾气中含有的颗粒物、尤其是直径小于10μm的颗粒物（PM10）具有强致癌作用，如果不加控制将会严重威胁人类健康。目前，在机动车排气管路上安装颗粒物过滤器是一种有效而经济的处理PM的技术。该技术主要应用过滤器内部的氧化催化剂（主要是含贵金属铂的材料），将捕集的碳烟（PM的主要组成）在尾气环境下氧化为相对无害的CO₂。近年来，随着贵金属价格的上涨和尾气排放标准的提高，更廉价、更高效碳烟氧化催化剂的开发势在必行。

氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）是一类新型的催化氧化材料。氧化钇的引入可使氧化锆稳定为立方萤石结构，同时Y³⁺与Zr⁴⁺发生不等价置换、在氧化锆晶体中产生大量的氧离子空位，从而使得该类材料具有较强的供氧能力。近期，部分研究者发现在YSZ上负载功函数较低的金属颗粒（如银），可通过Cabrera–Mott效应将氧化锆晶格氧“泵出”至YSZ表面参与催化反应，进而显著增强其催化氧化性能。例如，Serve等考察了不同含量的银负载在各类氧化物载体上（SiO₂、ZrO₂、Ce_xZr_1-xO₂、YSZ等），发现含银4%的Ag/YSZ样品碳烟氧化性能最好（碳烟脱除50%时的温度 T₅₀在460°C左右）。值得注意的是，碳烟团簇（尺寸大于100 nm）和颗粒（尺寸约10~100nm）因无法进入催化剂表面的小孔，故其氧化过程与碳烟-催化剂的接触性密切相关。颗粒状的纳米Ag/YSZ催化剂由于存在自身团簇聚集，其与碳烟的接触性始终有限。这使得该类材料的本征催化性能得不到完全体现（ T₅₀很难降低至430°C以下），不能充分满足我国逐渐严格尾气排放法规的要求。