汽车尾气催化剂载体用氧化铝的研制

1、2566 2004年增刊(35卷功 能 材 料汽车尾气催化剂载体用氧化铝的研制陈 玮1,2,尹周澜1,马艳红2,蒋 覃2(1. 中南大学 化学化工学院,湖南 长沙 410083;2. 中国铝业股份有限公司 郑州研究院,河南 郑州 450041 收稿日期:2004-05-23 通讯作者:陈 玮 作者简介:陈 玮(1972-,男,河南省新乡县人,1995年本科毕业于中南工业大学,在读博士,主要从事化学品氧化铝的开发摘 要:主要论述了汽车尾气催化剂载体用氧化铝的制备方法,对影响汽车尾气催化剂载体用氧化铝性能的因素进行了探讨。温度是影响汽车尾气催化剂载体用氧化铝相态及比表面积最重要的影响因素;900为

2、最佳的焙烧温度,900焙烧后,氧化铝的相态为-Al 2O 3;在焙烧的过程中加入合理的添加剂,可以提高氧化铝的比表面积及热稳定性。 关键词:汽车尾气;催化剂载体;氧化铝中图分类号:TQ426.65 文献标识码:A 文章编号:1001-9731(2004增刊1 引 言汽车尾气所排放的主要污染物为:CO 、NO x 、C x H y 和Pb 等,NO x 和碳氢化合物受强紫外线照射后,还会产生新的二次污染光化学烟雾,这些污染物对人体和动植物都非常有害。中国汽车保有量虽不及世界先进国家,但由于发动机质量差,单车排放污染物比国外先进机动车高310倍。因此一些大城市如北京、上海、广州等地,机动车排气污染

3、量已接近甚至超过国外一些大城市。而且,随着我国国民经济水平的提高,人均拥有汽车的数量在未来的几年内肯定会大幅增加,随之而来的环境问题也将日益严重。因此,汽车尾气的治理,是关系到我国城市品位及人民身体健康的重大问题,应该提前治理,防患于未然。氧化铝由于具有很好的化学稳定性,低温氧化铝具有较大的比表面积,优良的机械性能、良好的耐热震性能等优点,而广泛应用于催化剂载体。由氧化铝所制备的第一代汽车尾气催化剂载体是将活性氧化铝制备成球状或丸状的小颗粒,然后在这些小颗粒的毛细孔中吸附一些贵重金属,从而起到催化作用。由于工艺本身的原因,第一代催化剂的成本较高,同时也给汽车带来一些负面影响,如汽车尾气排放不畅

4、,影响动力,使用周期短等。第二代产品是将吸附有贵重金属的活性氧化铝涂附于堇青石蜂窝陶瓷表面,从而制备出性能优良的汽车尾气催化剂载体。这种催化剂载体对汽车尾气排放所造成的压力大为减小,安装简洁方便,只须在原有排气管的基础上稍加改进即可,同时不影响汽车本身的使用性能和燃料损耗。本文将就汽车尾气催化剂载体用氧化铝制备过程中所涉及的一些问题进行讨论。2 实 验将添加剂与拟薄水铝石混合后,控制一定的温度制度焙烧;扫描电子显微镜测定氧化铝晶体形貌,X-ray 测定氧化铝晶体相态,自动吸附仪测定比表面积及孔径分布。然后和Pt 、稀土氧化物(如CeO 等催化剂主体混合研磨,涂附于堇青石蜂窝陶瓷表面,进行车驾实

5、验,测定CO 起燃温度等多项技术指标。3 结果与讨论3.1 焙烧温度对氧化铝吸水率及比表面积的影响不同焙烧温度下活性氧化铝比表面积及吸水率的变化如图1所示:图1 焙烧温度对氧化铝饱和吸水率和比表面积的影响 Fig 1 Influence of sintering temperature to the waterabsorption and specific area陈 玮 等:汽车尾气催化剂载体用氧化铝的研制 2567 从图1可以看出,焙烧后的氧化铝的吸水率在400达到最大(约40%,在400900之间缓慢减少,在10001100之间急速下降。在1200时,吸水率很小(约1%,而比表面积的变化

6、与吸水率稍有不同,比表面积在500达到最大,这是因为在400焙烧的活性氧化铝时可以与水发生化学反应(3-1;氧化铝在10001100之间发生相转变,转变为相,因此比表面积和吸水率都急剧下降。汽车尾气的出口温度大致在800900左右,汽车尾气催化剂载体用氧化铝的焙烧温度最好略高于其使用温度,因此选用900作为焙烧温度,以保证其使用时的连续稳定性。Al 2O 3 + 3H 2O = 2Al(OH3 (3-13.2 添加剂对氧化铝性能的影响表1为几种添加剂对氧化铝性能的影响表1 添加剂对氧化铝性能的影响Table 1 Influence of additives tob the performanc

7、e ofalumina添加剂A B C A+B B+C A+C A+B+C 从表1可以看出,A 、B 、A +B 、A +B+C 几种添加剂加入方式中,吸水率和比表面积相对于不加任何添加剂的情况有所减小,而在加入C 、B +C 、A +C 几种添加剂后,吸水率和比表面积相对于不加任何添加剂的情况有所增加;在热稳定性方面,不加添加剂及加入A 后,热稳定性较差,加入C 、A +B 、A +C 、A +B +C 几种添加剂后,热稳定性一般;加入B 及B +C 后,热稳定性较好。综合以上比较加入B +C 复合添加剂后,不但吸水率和比表面积有所增加,而且热稳定性较好。 3.3晶体相态分析图 2为900焙

8、烧后氧化铝的X-ray 分析图,其中为-Al 2O 3 的特征峰,从图中可以看出,杂相很少。因此,在900焙烧后,氧化铝主要形态为-氧化铝。图2 衍射分析图Fig 2 SEM analysis (6000 times3.4 晶体形貌分析图3和图4为氧化铝的扫描电子显微图片,从电子扫描电子显微镜图上可以看出,这种氧化铝的晶体发育不是十分完整,它的二次晶粒是由大量微小的一次晶粒团聚而成。图3 放大6000倍的SEM Fig 3 SEM analysis (60000 times图4 放大20000倍的SEM 图 Fig 4 SEManalysis(20000 times3.5 孔径分布氧化铝孔径分

9、布如图5所示,从图上可以看出,此氧化铝的孔径分布范围较窄,绝大部分孔径分布于2050nm 之间,其最可几孔径为39.25nm ,平均孔径为33.94nm ,平均孔径与最可几孔径接近,这也说明孔径分布范围窄而集中。图5 孔径分布图 Fig 5 Aperture distribution2568 2004年增刊(35卷功能材料3.6 综合性能测试综合性能测试见表2,Zq是我们所制备的室样品,JK为进口氧化铝。表2 综合性能测试Table 2 Combination property test chart性能Zq JK 初始比表面积(m2/g138.8 140 改性后比表面积(m2/g137.5 1

10、38.1 老化后比表面积(m2/g85.4 85.8 CO的起燃温度(215 220 Al2O3涂层粘结强度脱落率(% 1.49 1.50 从表2的试验数据来看,我们所做的氧化铝在比表面积上与国外氧化铝稍有差异,而在CO起燃温度方面已不相上下,在粘结强度方面,与进口料大致相当。4 结论(1汽车尾气催化剂载体用氧化铝的适宜形态为过渡相氧化铝,为-Al2O3。(2汽车尾气催化剂载体用氧化铝焙烧温度应等于或高于汽车使用的温度条件,但不宜超过1100,当温度高于1100时,氧化铝发生相转变,由-Al2O3变为-Al2O3,超过该温度之后,其比表面积急骤下降,影响其使用性能。(3采用合理的添加剂可以改善

11、氧化铝的比表面积及热稳定性,选用B+C复合添加剂后,不但吸水率和比表面积有所增加,而且热稳定性较好。参考文献:1 杨重愚. 氧化铝生产工艺学 M. 北京: 冶金工业出版社,1993, 10.2 查纳约. 密斯罗, 王学诗, 樊波平. 工业氧化铝化学制品M. 山西铝厂内部资料, 1989.7.3 蔡胜有, 黄勇. A1203基涂层技术在汽车尾气催化净化装置中的应用与开发 J. 功能材料, 1998, 29(3: 225-228 .4 屠兢, 伏义路, 林培琰. Pt/Y-A1203在三效催化剂中Ce02助剂的作用 J. 催化学报, 2001, 22(7: 390-396.5 田东旭, 王浩静,

12、王心葵. Pd/Ce/A1/蜂窝陶瓷催化剂制备方法的研究 J. 无机化学学报, 2001, 17, (7: 527-532. 6 武斌, 沈岳年, 胡瑞生. 蜂窝状堇青石载体表面涂层及其相关燃烧催化剂的性能研究 J. 内蒙古大学学报(自然科学版 2000, 31(7: 398-401.7 安琴, 冯长根, 曾庆轩, 等. 陶瓷蜂窝载体Y-A1203涂.层研究进展 J. 化学通报. 2001(3: 135-140.Studing on alumina of catalyst substrate in automobile exhaust cleaningCHEN Wei1,2, YIN Zhou

13、-lan1, MA Yan-hong2,JIANG Tan2(1. Center South University School of Chemistry and Chemical Engineering, Changsha 410083, China;2. Zhengzhou Research Institute Aluminum Corperation of China Limted, Zhengzhou 450041, China Abstract:A special alumina applying for catalyst substrate in automobile exhaust had been studied. some influence factor to this alumina, such as temperature, additives etc, had been studied too. It concluded that temperature is the major factor influencing on aluminas specific area and phase. The best calcinations tem