Effetto del posto vacante di ossigeno e di MnOx altamente disperso sulla combustione della fuliggine nel catalizzatore di cerio e manganese

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 3386 (2023) Citare questo articolo

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I catalizzatori bimetallici cerio-manganese sono diventati il ​​fulcro della ricerca attuale grazie alle loro eccellenti prestazioni catalitiche per la combustione della fuliggine. Due serie di catalizzatori di cerio e manganese (catalizzatori privi di Na e catalizzatori contenenti Na) sono stati preparati mediante metodo di coprecipitazione e caratterizzati utilizzando XRD, adsorbimento-desorbimento di N2, SEM, Raman, XPS, H2-TPR, O2-TPD, Soot-TPR- MS e IR in situ. Sono stati analizzati gli effetti di abbondanti posti vacanti di ossigeno e di MnOx altamente disperso in superficie sulla combustione catalitica della fuliggine di catalizzatori di cerio e manganese preparati da diversi precipitanti. I risultati del test di attività mostrano che le specie attive dell'ossigeno rilasciate da un gran numero di posti vacanti di ossigeno nel catalizzatore di cerio e manganese sono più favorevoli alla combustione catalitica della fuliggine rispetto al MnOx che è altamente disperso sulla superficie del catalizzatore e ha buone prestazioni redox a bassi livelli. temperatura. Poiché l'effetto catalitico di MnOx sulla superficie dei catalizzatori privi di Na dipende maggiormente dalla condizione di contatto tra il catalizzatore e la fuliggine, questo fenomeno può essere osservato più facilmente in condizioni di contatto allentato che in condizioni di contatto stretto. I risultati del test del ciclo di attività mostrano che queste due serie di catalizzatori mostrano una buona stabilità e che l'uso ripetuto difficilmente causerà alcuna disattivazione dei catalizzatori.

Le particelle di fuliggine emesse dai motori diesel non solo possono causare inquinamento atmosferico e foschia, ma anche facilmente invadere il sistema respiratorio umano a causa delle loro piccole dimensioni, inoltre, i metalli pesanti e la materia organica da essi assorbiti possono causare gravi malattie1,2,3. Il filtro antiparticolato diesel (DPF) con un'efficienza di filtraggio fino al 90% è un mezzo efficace per controllare le emissioni di fuliggine4. La temperatura iniziale della combustione della fuliggine è superiore a 450 °C e la temperatura di combustione è superiore a 650 °C, quindi non favorisce la combustione spontanea della fuliggine nell'intervallo di temperature di scarico dei motori diesel (200–400 °C). Pertanto, il catalizzatore è necessario per ridurre la temperatura di combustione della fuliggine, promuovere la rigenerazione passiva del DPF e ridurre la pressione del filtro5.

Attualmente, i catalizzatori commerciali per la combustione della fuliggine contengono circa lo 0,75% in peso di platino, che rappresenta un terzo del costo totale del filtro6. Pertanto, un gran numero di catalizzatori di metalli non nobili (come metalli di transizione, metalli alcalini, metalli alcalino terrosi, perovskite, catalizzatori di ossido composito di cerio, ecc.) sono stati ampiamente studiati per sostituire il platino nel DPF7,8,9, 10,11,12,13. Tra i diversi tipi di catalizzatori per l'ossidazione della fuliggine, i catalizzatori a base di ossido composito di cerio e manganese sono considerati potenziali sostituti del catalizzatore Pt/Al2O3 che è stato commercializzato grazie alla loro buona attività di ossidazione6.

Il cerio, elemento delle terre rare, ha un'eccellente capacità di immagazzinamento/rilascio di ossigeno grazie alla sua esclusiva struttura a strati di elettroni 4f. Secondo il “meccanismo delle specie reattive dell’ossigeno”, le specie reattive dell’ossigeno rilasciate dal CeO2 sono molto favorevoli all’ossidazione della fuliggine grazie alla buona efficienza di conversione reversibile di Ce4+/Ce3+14,15. Poiché l'orbitale 3d non è riempito, il manganese del metallo di transizione possiede molti stati di valenza e la trasformazione di diversi stati di valenza formerà posti vacanti di ossigeno durante il processo di combustione catalitica della fuliggine, mostrando così un'elevata attività catalitica16. I catalizzatori di ossido composito di cerio e manganese sono stati ampiamente studiati perché possono combinare i vantaggi dei due catalizzatori sopra menzionati e migliorare ulteriormente l'attività catalitica dell'ossidazione della fuliggine6.

L'attuale ricerca sulla combustione catalitica della fuliggine dei catalizzatori bimetallici cerio-manganese in atmosfera di O2 si concentra principalmente sul miglioramento delle proprietà intrinseche dei catalizzatori (aumentando la quantità di specie reattive dell'ossigeno) e sulla modifica della morfologia dei catalizzatori in modo da promuovere la combustione capacità di contatto tra catalizzatori e fuliggine. Mukherjee et al.17 hanno studiato gli effetti di diversi elementi drogati (metalli delle terre rare e metalli di transizione Zr, Hf, Fe, Mn, Pr e La) sulla combustione della fuliggine del catalizzatore CeO2 e hanno scoperto che il catalizzatore drogato con Mn mostrava la più alta concentrazione di superficie specie di ossigeno adsorbite e l'ossigeno reticolare più debolmente legato tra tutti i materiali, mostrando così la migliore attività di ossidazione della fuliggine. Liang et al.18 hanno scoperto che in condizioni di contatto libero, l'attività di combustione catalitica della fuliggine di MnOx–CeO2 era superiore a quella di CuOx–CeO2 perché l'aggiunta di Mnx+ nel reticolo di CeO2 potrebbe favorire la generazione di più posti vacanti di ossigeno, favorendo così l'adsorbimento di ossigeno sulla superficie. He et al.19 hanno confrontato il catalizzatore Ce0.5Zr0.5O2 modificato con diversi metalli di transizione Mn, Fe e Co e hanno scoperto che l'attività catalitica della fuliggine del catalizzatore Ce0.5Zr0.5O2 drogato con Mn o Co era superiore a quella drogata con Fe a causa all'aumento delle specie reattive dell'ossigeno e della mobilità dell'ossigeno reticolare del catalizzatore. Wang et al.20 hanno sintetizzato soluzioni solide MnxCe1-xO2 all'interno di nanofogli mesoporosi mediante metodo idrotermale. Il catalizzatore ha avuto eccellenti prestazioni di combustione della fuliggine principalmente grazie alla sua caratteristica unica a forma di nanofoglio mesoporoso, specie di Mn ad alta valenza, abbondanti specie reattive dell'ossigeno e elevate prestazioni redox. Zhao et al.21 hanno preparato una serie di compositi MnOx–CeO2 e hanno scoperto che l'attività catalitica della fuliggine era migliore quando Mn/(Mn + Ce) era del 20%. Ciò era dovuto al fatto che la struttura porosa del catalizzatore era simile alle dimensioni delle particelle di fuliggine, il che favoriva il contatto tra il catalizzatore e la fuliggine.