开题报告-王天舒.doc

化学与材料科学学院本科生毕业论文开题报告论文题目：汽车尾气中炭黑的催化氧化性能 系 名 称： 材料化学 专 业： 材料化学（高分子方向） 学生姓名： 王天舒 学 号： 0712010126 指导教师： 段林海 2011年 3月 23日一、本课题研究的意义、国内外研究现状和发展趋势研究意义 近年来，由于经济发展迅速，人们生活水平不断提高，汽车走进前家万户。但是随之而来的问题是，汽车尾气排放的氮氧化物约占大气中氮氧化物排放总量一半，且造成的氮氧化物污染已引起光化学烟雾、酸雨等环境问题，还可引起支气管炎、肺炎等健康问题。同时若颗粒物（主要是炭黑颗粒，PM）排放过量，轻则堵塞汽车尾气过滤器，重则影响全球气候，尤其是柴油机，其颗粒物排放量远高于汽油机。有研究表明颗粒物能够穿透细胞膜，进入人体血液，直至大脑，还可导致遗传性突变。 欧标准自2008年10月开始在欧洲运行，对柴油车排放中的氮氧化物和颗粒物的最低排放浓度要求更为严格，我国近几年汽车产业规划要大力支持柴油车的发展，同时对排放标准也提出了更高的要求，保护环境、控制柴油机排放的污染物成为一种必然。因此寻找一种新型有效的催化剂来解决尾气中氮氧化物和颗粒物的排放已成为目前急待解决的问题。 本课题涉及到环境科学，可增强人们环保意识，促进人们身体健康，同时对治理大气污染有直接贡献，因此具有一定理论意义和实践意义。国内外研究现状和发展方向 20世纪60-90年代，汽车发动机普遍采用富燃条件，A/F（空燃比）固定在14.7附近，这时的汽车尾气净化催化剂以Pt-Rh-Pd三效催化剂为代表。这种催化剂对一氧化碳、烃类和氮氧化物的转化率在80 %-90 %以上，使用寿命几乎与汽车同步。90年代以后，为了节约能源，汽车发动机逐步采用贫燃，传统的三效催化剂退出历史舞台。贫燃条件下减少汽车尾气中氮氧化物（NOx）和颗粒物（主要是炭黑，PM）的主要有两种方式：（1）减少本身产生的排放物（机内净化）；（2）对已经产生的排放物进行处理（机外净化）。 世界上最新研发的机内净化技术措施有改进发动机设计、改善燃烧工况、改进进气系统、改善喷油系统、采用逻辑电控技术等方面。但结果证明，单一的机内净化技术对同时消除NOx和炭黑效果并不佳，因此还需要机外净化技术加以辅助。 目前，世界上在解决柴油机尾气排放所需催化剂方面，开展了大量的研究。针对炭黑主要采用催化颗粒捕集器（Catalyze Diesel Particulate Filter，CDPF）技术，即将尾气中的NOx经铂催化剂生成NO2，后者与炭黑中的C反应产生 CO2和N2，以达到减少颗粒物排放的目的。对于NOx，主要采用选择性催化还原（SCR），即通过排放物与尿素水溶液反应，把NOx变为氨气和水来吸收掉，最高转换效率可达90 %。但是炭黑和NOx的独立去除方法也相应存在某些待解决的问题。对于炭黑的消除，油品中的硫和润滑油中的磷会造成CDP催化剂中毒，而且很难清除炭黑中的硫酸盐灰分。对于用SCR方法消除NOx，发动机必须安装还原剂供给模块，还原剂可能会对环境造成二次污染，油品中的硫和润滑油中的磷也会造成SCR催化剂中毒，这就使发动机的后处理技术变得复杂而且成本较高。 在贫燃条件下，集炭黑的催化颗粒捕集器（CDPF）和NOx的选择性催化还原（SCR）于一体的催化技术是一种同时去除NOx和炭黑的新技术，它是利用NOx和O2作为氧化剂氧化汽车尾气中的炭黑，以达到同时去除NOx和炭黑的目的。具有操作简单、生产成本低、不易造成二次污染等特点。目前此技术已受到国内外的普遍关注，也是未来的发展趋势。该技术的核心是开发出在同一床层上可同时去除炭黑和NOx的催化剂。国内外近年来多集中在复合金属氧化物催化剂的研究上，尤其是钙钛矿型催化剂在同时去除炭黑和NOx上达到较理想的效果，这是目前研究的热点。但是由于实际操作环境远比试验模拟条件复杂，所以迄今为止还没有找到催化剂满足技术和经济的最佳结合。二、本课题的主要研究内容与主要创新点主要研究内容 合成净化汽车尾气钛酸钾催化剂和LixK2-xTi2O5系列催化剂，利用XRD、BET、SEM等大型仪器设备研究其结构及表面特征，并模拟汽车尾气氛围，研究催化剂脱除颗粒物的效率。同时利用分子模拟，考察催化剂净化汽车尾气中的炭黑的催化机理。在此基础上在催化剂中引入碱土金属或过渡金属进行改性，进一步对合成出的复合金属氧化物催化剂进行表征及性能测试。主要创新点 合成钛酸钾催化剂和LixK2-xTi2O5系列催化剂，考虑了O2和NOx的竞争吸附对催化剂去除炭黑颗粒催化能力的影响，并利用智能重量分析仪质谱联用(IGA-MS)与频率响应(FR)相结合的方法研究NOx、O2、SO2、H2O在催化材料上的竞争吸附和扩散机理。分子模拟（密度泛函理论、分子动力学、MonteCarlo）和IGAMS、FR相结合的方法研究催化剂对NOx的SCR和对炭黑颗粒的选择性氧化机理，从微观和宏观相结合上探讨其机理，为催化剂的提供理论依据。三、课题进度安排