过渡金属掺杂锡基氧化物固溶体催化碳烟燃烧

摘要

采用十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)辅助共沉淀法制备了过渡金属(Mn、Fe、Co和Ni)掺杂的介孔锡基固溶体氧化物,用于柴油车碳烟的催化燃烧。利用XRD、SEM、氮气吸脱附、拉曼光谱、氢气程序升温还原(H_(2)-TPR)和FTIR等手段对催化剂理化性质进行表征;采用程序升温氧化技术(TPO)研究催化碳烟的燃烧活性。少量过渡金属掺杂SnO_(2)可形成四方金红石结构的氧化物固溶体;经过在马弗炉中800℃煅烧6 h后,SnO_(2)基固溶体的纳米球直径为20~30 nm,氧化物仍能保持相对较大的比表面积(20~40 m^(2)·g^(-1)),同时过渡金属掺杂增大了孔径尺寸;固溶体中过渡金属和Sn存在强相互作用,改善了表面氧的移动性和氧化还原性能。过渡金属掺杂诱导固溶体产生结构缺陷,促进了表面氧的可移动性,这也有利于表面氧化反应进行。与非催化反应相比,SnO_(2)催化剂表现出良好的碳烟催化燃烧活性,而掺杂过渡金属后其活性和选择性进一步提升,且碳烟燃烧速率加快,这与其提高的氧化还原能力、增加的表面氧空位以及改善的孔结构有关;其中MnSn具有最佳的催化活性,其碳烟起燃温度(T_(10))为320℃,半转化温度(T_(50))为375℃,CO_(2)选择性达到96%。此外,反应气氛中NO的存在可进一步促进锡基固溶体催化碳烟燃烧,反应遵循NO_(2)辅助氧化机理。