세륨망간 촉매의 그을음 연소에 대한 산소 공공 및 고분산 MnOx의 영향

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 3386(2023) 이 기사 인용

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세륨 망간 바이메탈 촉매는 그을음 연소에 대한 탁월한 촉매 성능으로 인해 현재 연구의 초점이 되었습니다. 두 가지 시리즈의 세륨 망간 촉매(Na가 없는 촉매와 Na가 함유된 촉매)는 공침법으로 제조되었으며 XRD, N2 흡착-탈착, SEM, Raman, XPS, H2-TPR, O2-TPD, Soot-TPR-를 사용하여 특성화되었습니다. MS 및 현장 IR. 다양한 침전제에 의해 제조된 세륨망간 촉매의 그을음 촉매연소에 대한 풍부한 산소 결손과 표면에 고분산된 MnOx의 영향을 분석했습니다. 활성시험 결과, 세륨망간 촉매에서 다수의 산소공극에 의해 방출되는 활성산소종이 촉매 표면에 많이 분산되어 있고 저속에서 산화환원 성능이 좋은 MnOx에 비해 그을음 촉매연소에 더 유리한 것으로 나타났다. 온도. Na-free 촉매 표면에 대한 MnOx의 촉매 효과는 촉매와 그을음 사이의 접촉 조건에 더 많이 의존하기 때문에 이 현상은 단단한 접촉 조건보다 느슨한 접촉 조건에서 더 쉽게 관찰할 수 있습니다. 활성주기 테스트 결과에 따르면 이 두 가지 촉매 시리즈는 우수한 안정성을 나타내며 반복 사용 시 촉매 비활성화가 거의 발생하지 않는 것으로 나타났습니다.

디젤엔진에서 배출되는 그을음 입자는 대기오염과 연무를 유발할 수 있을 뿐만 아니라, 크기가 작아 사람의 호흡기에 쉽게 침입할 수 있으며, 더욱이 입자에 흡수된 중금속과 유기물은 심각한 질병을 유발할 수 있습니다1,2,3. 최대 90%의 여과 효율을 갖춘 디젤 미립자 필터(DPF)는 그을음 배출을 제어하는 효과적인 수단입니다4. 그을음 연소 초기 온도는 450°C 이상이고, 연소 온도는 650°C보다 높기 때문에 디젤 엔진의 배기 온도 범위(200~400°C)에서는 그을음의 자연 연소에 도움이 되지 않습니다. 따라서 그을음 연소 온도를 낮추고, DPF의 수동적 재생을 촉진하며, 필터의 압력을 낮추는 촉매가 필요합니다5.

현재 상업용 그을음 연소촉매에는 약 0.75wt%의 백금이 함유되어 있는데, 이는 필터 전체 가격의 1/3을 차지한다6. 따라서 DPF에서 백금을 대체하기 위해 다수의 비귀금속 촉매(예: 전이금속, 알칼리금속, 알칼리토금속, 페로브스카이트, 세륨 복합산화물 촉매 등)가 광범위하게 연구되어 왔다7,8,9, 10,11,12,13. 그을음 산화촉매의 다양한 유형 중에서 세륨망간 복합산화물 촉매는 우수한 산화 활성으로 인해 상용화되어 있는 Pt/Al2O3 촉매를 대체할 수 있는 잠재적인 대체재로 간주됩니다6.

희토류 원소인 세륨은 독특한 4f 전자층 구조로 인해 산소 저장/방출 능력이 뛰어납니다. "활성산소종 메커니즘"에 따르면, CeO2에 의해 방출된 활성산소종은 Ce4+/Ce3+14,15의 우수한 가역적 전환 효율로 인해 그을음 산화에 매우 도움이 됩니다. 3d 궤도가 채워지지 않기 때문에 전이금속 망간은 많은 원자가 상태를 가지며, 서로 다른 원자가 상태의 변형은 촉매 그을음 연소 과정에서 산소 결손을 형성하여 높은 촉매 활성을 나타냅니다. 세륨망간 복합산화물 촉매는 위의 두 촉매의 장점을 결합하고 그을음 산화의 촉매 활성을 더욱 향상시킬 수 있기 때문에 널리 연구되어 왔습니다6.

O2 분위기에서 세륨-망간 바이메탈 촉매의 촉매 그을음 연소에 대한 현재 연구에서는 주로 촉매의 고유 특성을 개선(활성 산소종의 양을 증가)시키고 촉매의 형태를 변경하여 촉매와 그을음 사이의 접촉 능력. Mukherjee 등17은 CeO2 촉매의 그을음 연소에 대한 서로 다른 도핑된 원소(희토류 금속 및 전이 금속 Zr, Hf, Fe, Mn, Pr 및 La)의 영향을 연구한 결과 Mn으로 도핑된 촉매가 표면 농도가 가장 높은 것으로 나타났습니다. 모든 물질 중에서 산소종과 가장 느슨하게 결합된 격자 산소를 흡착하여 최고의 그을음 산화 활성을 나타냅니다. Liang et al.18은 느슨한 접촉 조건에서 MnOx-CeO2의 그을음 촉매 연소 활성이 CuOx-CeO2의 것보다 높다는 것을 발견했습니다. 왜냐하면 CeO2 격자에 Mnx+를 추가하면 더 많은 산소 결손의 생성을 촉진하여 산소 흡착을 촉진할 수 있기 때문입니다. 표면에. He et al.19은 서로 다른 전이금속 Mn, Fe 및 Co로 개질된 Ce0.5Zr0.5O2 촉매를 비교한 결과, Mn 또는 Co로 도핑된 Ce0.5Zr0.5O2 촉매의 그을음 촉매 활성이 Fe로 도핑된 촉매보다 우수함을 발견했습니다. 증가된 반응성 산소종과 촉매의 격자 산소 이동도. Wang et al.20은 열수법을 통해 메조다공성 나노시트 내의 MnxCe1-xO2 고용체를 합성했습니다. 촉매는 독특한 메조다공성 나노시트 형태의 특징, 높은 원자가의 Mn 종, 풍부한 활성 산소종 및 높은 산화환원 성능으로 인해 우수한 그을음 연소 성능을 나타냈습니다. Zhao et al.21은 일련의 MnOx-CeO2 복합재료를 준비했으며 그을음의 촉매 활성은 Mn/(Mn + Ce)가 20 at%일 때 가장 좋다는 것을 발견했습니다. 이는 촉매의 다공성 구조가 그을음 입자의 크기와 유사하여 촉매와 그을음의 접촉에 도움이 되었기 때문이다.

CM-N > CM-NC. The Tm of CM-NaC and CM-3 for soot combustion are 363.9 °C and 367.3 °C, respectively, which are 298.1 °C and 294.7 °C lower than that without catalyst. The activity of CM-NaC is better than that of CM-3, which is more obvious under the loose contact condition (Fig. S1)./p>

CM-N > CM-NC. For Na-containing catalysts, there is another peak located at 535.1–535.6 eV, which belongs to the sodium auger peak (Na KLL) according to Handbook of X-ray Photoelectron Spectroscopy. The contents of OII of the Na-containing catalysts are higher than those of the Na-free catalysts, but the ratios of Ce3+ and the low-valent Mnx+ of the Na-containing catalysts are not high. Therefore, it can be inferred that the high surface oxygen adsorption and large amount of oxygen vacancies of the Na-containing catalysts are mainly caused by the entrance of Na+ into the lattice of the solid solution. The increase of surface active oxygen is beneficial to the transfer of reactive oxygen species from the surface of catalyst to the soot, thus promoting the oxidation of soot./p>