Catalyseur de purification des gaz d'échappement d'automobile
1. Mécanisme d’action catalyseur
Les polluants présents dans les gaz d'échappement des automobiles comprennent principalement le monoxyde de carbone (CO), les hydrocarbures (HC), les oxydes d'azote (NO), le dioxyde de soufre (SO2) et les particules (composés de plomb, suie de carbone, etc.). Actuellement, il existe deux méthodes principales pour purifier les gaz d’échappement des automobiles : la purification interne et la purification externe. La purification interne consiste à modifier la structure du moteur pour favoriser la combustion complète du carburant ou pour permettre la re-combustion de certains gaz d'échappement afin de réduire les substances nocives. La purification externe utilise principalement des méthodes de purification catalytique, qui impliquent à la fois des réactions d'oxydation du CO et des HC ainsi que des réactions de réduction du NO, utilisant une action catalytique pour convertir les substances nocives présentes dans les gaz d'échappement en CO, H2O et N2 inoffensifs. Les méthodes de purification catalytique actuellement utilisées comprennent l'oxydation catalytique, la réduction catalytique-oxydation et la purification catalytique à trois-. Les catalyseurs à trois -voies sont largement utilisés dans divers pays. Le catalyseur à trois -voies se compose principalement de trois parties : le substrat du catalyseur, le revêtement actif et les composants actifs catalytiques. De plus, pour améliorer les performances du catalyseur, de petites quantités d'additifs sont souvent ajoutées au revêtement actif et aux composants actifs catalytiques, principalement des oxydes de terres rares et des oxydes de métaux alcalino-terreux, etc.
2. Fonction et exigences du transporteur
Les conditions d'utilisation du convertisseur catalytique à trois voies pour la purification des gaz d'échappement des automobiles sont assez difficiles, notamment des variations de température allant de -50 degrés à 950 degrés, des chocs et des vibrations importants dus au flux d'air à grande vitesse, et une durée de vie allant jusqu'à 2 ans ou 160 000 kilomètres. De plus, l'activité élevée et la résistance à la température requises pour l'oxydation du CO et des HC et la réduction des NOx, ainsi que la résistance à l'empoisonnement au S et au P, imposent des exigences plus élevées au catalyseur. La composition du catalyseur, la compatibilité entre les différents composants et les propriétés de l'alumine active utilisée ont des effets importants sur les performances du catalyseur, notamment directement sur l'activité et la durée de vie du catalyseur.
(1) Composition du catalyseur
Les catalyseurs à trois -voies sont principalement constitués du substrat catalytique, du revêtement actif et des composants actifs. Grâce à des processus de préparation spéciaux et à différentes distributions de composants actifs avec différents rapports dans le revêtement, les exigences de bonnes performances catalytiques à différentes positions du système d'échappement automobile, du démarrage à froid à la température élevée, peuvent être satisfaites.
Substrat catalyseur : le substrat, également appelé support, comprend principalement des céramiques en nid d'abeilles en cordiérite, du carbure de silicium, des nids d'abeilles métalliques, des tôles ondulées, etc. Le substrat doit répondre aux exigences suivantes : une résistance mécanique élevée pour résister aux chocs thermiques et aux vibrations sévères du flux d'air à grande vitesse ; grande surface externe et porosité pour faciliter l'adhésion et la dispersion du revêtement actif ; faible coefficient de dilatation thermique et résistance aux températures élevées pour éviter les fissures et les déformations conduisant au détachement du revêtement dû à des changements drastiques de température de fonctionnement ; perméabilité élevée au flux d'air et résistance élevée aux chutes de pression pour éviter une perte excessive de puissance du moteur due à une résistance élevée aux gaz d'échappement ; faible capacité thermique et conductivité thermique élevée pour augmenter rapidement la température lors des démarrages à froid pour une action catalytique ; et l'immunité contre les substances qui peuvent empoisonner le catalyseur sans interagir avec lui.
Revêtement actif : Le revêtement doit avoir une forte adhérence au substrat et un coefficient de dilatation thermique similaire à celui du substrat pour empêcher le détachement du revêtement dû aux variations de température et à la dilatation et à la contraction thermiques du substrat ; bonne stabilité à haute-température pour inhiber la transformation de phase ou le frittage à haute température ; et une certaine tolérance aux traces de substances toxiques telles que le Pb, le S et le P pour éviter d'empoisonner les composants actifs. En plus de l'alumine active, le matériau de revêtement comprend principalement des oxydes composites de terres rares tels que Ce et Zr, des métaux alcalino-terreux ou des métaux alcalins, et des oxydes métalliques tels que Ba, Sr et TiO2, ajoutés pour améliorer la stabilité thermique du matériau de revêtement et améliorer la résistance du catalyseur aux températures élevées, la capacité de stockage de l'oxygène, la résistance à l'empoisonnement, la dispersion des composants actifs et la stabilité thermique.
Composants actifs du catalyseur : les composants actifs doivent avoir une bonne résistance aux températures élevées, une résistance à l'empoisonnement au S, au P, une faible température d'inflammation, une activité catalytique élevée, y compris des performances d'oxydation élevées du CO et des HC et des performances de réduction élevées des NOx, ainsi qu'une bonne dispersion. Les composants actifs des métaux précieux comprennent principalement le platine, le palladium, le rhodium et leurs combinaisons. Le palladium et le platine ont une excellente activité catalytique pour l'oxydation des HC et du CO, tandis que le rhodium a une excellente activité catalytique pour la réduction des NOx, et son activité à basse température-est meilleure que celle du palladium et du platine. Avec le renforcement des normes d'émission automobiles et la mise en œuvre généralisée des normes Euro V, les exigences d'émission de NOx deviennent plus strictes et les convertisseurs catalytiques à trois voies contiennent généralement des quantités variables de rhodium.
Les convertisseurs catalytiques à trois -voies pour la purification des gaz d'échappement des automobiles peuvent maintenir de bonnes performances dans des conditions de fonctionnement difficiles, et la combinaison d'optimisation du substrat catalytique, du revêtement actif et des composants actifs est cruciale en plus de bonnes méthodes de préparation. Les catalyseurs à trois voies -sont généralement basés sur des céramiques en nid d'abeilles en cordiérite ou des nids d'abeilles métalliques, avec des supports d'alumine active chargés de composants actifs de métaux précieux et d'oxydes composites de terres rares ou d'oxydes de métaux alcalins ou alcalino-terreux comme additifs, broyés en une suspension comme matériau de revêtement, enduits sur le substrat par un processus spécial et préparés par séchage, calcination et activation.
(2) Rôle et influence de l'alumine
Le rôle de l'alumine active dans les convertisseurs catalytiques à trois -voies consiste à servir de support aux composants actifs en métaux précieux pour garantir leur forte dispersion et en tant que composant du matériau de revêtement pour fournir une surface spécifique élevée, maintenir une bonne adhérence et une bonne correspondance avec le substrat céramique et empêcher le détachement du revêtement et la transformation de phase. Actuellement, l'alumine active la plus couramment utilisée est l'AOS, qui présente une grande surface spécifique, une distribution modérée des pores et une bonne résistance au frittage. Cependant, -Al2O3 est une phase métastable et est sujette à une transformation de phase et à un frittage à des températures élevées, conduisant à une phase - stable et à un grossissement des particules, entraînant une diminution significative de la surface spécifique, affectant ainsi la dispersion des métaux actifs sur sa surface et réduisant les performances du catalyseur, voire sa désactivation. De plus, dans une atmosphère oxydante à haute température de 800 à 900 degrés, le revêtement -Al2O3 réagira avec le composant actif Rh pour former des sels d'aluminium non actifs-, réduisant également l'activité du catalyseur.
Pour améliorer la stabilité à haute température de l'alumine active du revêtement et empêcher son agglomération et sa transformation de phase, la méthode courante actuelle dans l'industrie consiste à ajouter des éléments métalliques non -précieux tels que des terres rares ou des métaux de transition à -Al2O3. Les éléments des terres rares ont des couches électroniques 4f non remplies, des niveaux d'énergie électronique riches et inhabituels et de nombreuses excellentes propriétés optiques, électriques, magnétiques et nucléaires, couplés à leurs propriétés chimiques très actives, ils peuvent former divers nouveaux matériaux avec différentes catégories, fonctions et utilisations avec d'autres éléments. Les cations des éléments de terres rares ont des rayons ioniques beaucoup plus grands que Al3+, ce qui peut augmenter la température de transformation de phase de -Al2O3, supprimer la diffusion de O2- ou Al3+, améliorant ainsi la résistance au frittage à haute température-de l'alumine active du revêtement et maintenant sa surface spécifique élevée. Des études ont montré que lors de la stabilisation de la structure de l'alumine active, des éléments de terres rares tels que La, Pr, Nd et Ce, ainsi que des métaux alcalino-terreux Ba, Sr et Ca, etc., peuvent être ajoutés. La résistance au frittage à haute température de l'alumine active est liée dans une certaine mesure à la taille des rayons ioniques des éléments de terres rares, et le meilleur effet stabilisant est obtenu avec des rayons ioniques plus grands. Par conséquent, La est le meilleur modificateur. L'alumine active modifiée par La- formera un LaAlO3 de type pérovskite sur la surface, et le LaAlO3 nucléé sera fixé sur les coins du réseau Al2O3, améliorant ainsi la stabilité thermique et la surface spécifique de l'alumine et inhibant sa transformation en phase.
Le rôle des matériaux catalytiques de terres rares dans les convertisseurs catalytiques à trois voies pour la purification des gaz d'échappement des automobiles, en particulier la fonction de stockage et de libération de l'oxygène de l'oxyde de cérium dans le catalyseur. Le cérium a deux états d'oxydation, Ce4+ avec un rayon ionique de 0,97 Å et Ce3+ avec 1,03 Å. À mesure que la teneur en oxygène dans le système réactionnel alterne, Ce4+ et Ce3+ dans le catalyseur alternent également, c'est-à-dire que lorsque la teneur en oxygène est élevée, Ce3+ est converti en Ce4+, et le catalyseur adsorbe et stocke plus d'oxygène du système réactionnel ; lorsque la teneur en oxygène est faible, Ce4+ est converti en Ce3+ et le catalyseur libère plus d'oxygène dans le système réactionnel. Le rôle de l'oxyde de cérium comprend également la stabilisation de la surface spécifique et de la structure des pores des supports d'alumine, le maintien de la bonne dispersion des composants actifs des métaux précieux, l'amélioration de l'activité et de la résistance au soufre et au saturnisme du catalyseur, etc.
L'alumine à haute -performance peut augmenter la surface spécifique du catalyseur et la dispersion des particules de métaux précieux, assurer la dispersion élevée des particules de métaux précieux et améliorer considérablement la stabilité à haute -température de l'alumine après modification en ajoutant une certaine quantité d'oxyde de terres rares ou en modifiant la surface de l'alumine par de l'oxyde de terres rares. Après avoir entièrement mélangé et broyé les métaux précieux avec le support d'alumine à hautes performances -ci-dessus, l'oxyde de terre rare avec des performances de stockage d'oxygène à haute température et élevées, d'autres composants additifs et de l'eau déionisée, puis le revêtement, le séchage, la calcination et l'activation sont effectués, et le catalyseur de purification à trois voies obtenu -a d'excellentes performances et peut remplacer les produits catalytiques importés. L'alumine est le support de revêtement de catalyseur le plus largement utilisé, mais le problème de stabilité thermique de l'Al2O3 a longtemps tourmenté les gens, en particulier dans les environnements de réaction avec des températures élevées et la présence de vapeur d'eau, -Al2O3 est sujet à la transformation de phase et au frittage, conduisant au développement d'une phase - stable et au grossissement des particules, entraînant une diminution significative de la surface spécifique, devenant l'une des causes importantes de désactivation des catalyseurs chargés. Par conséquent, la recherche et le développement de matériaux de support en alumine présentant une stabilité à haute température et une grande surface spécifique sont des technologies clés pour développer une nouvelle génération de catalyseurs de purification des gaz d'échappement automobiles. En outre, la Chine est un producteur majeur de terres rares, et comment développer ses avantages dans les terres rares et développer des catalyseurs à trois voies de purification des gaz d'échappement automobiles à base de terres rares-avec de meilleures performances, en remplaçant les catalyseurs en métaux précieux par des terres rares peu coûteuses, sera une nouvelle direction de développement pour les catalyseurs d'échappement automobiles avec de larges perspectives.
Autres catalyseurs de type-revêtement
En plus du premier type de catalyseurs de type revêtement-tels que les convertisseurs catalytiques à trois-voies pour la purification des gaz d'échappement des automobiles, les convertisseurs catalytiques à quatre-voies pour la purification des gaz d'échappement des véhicules diesel, les convertisseurs catalytiques pour la désulfuration et la dénitrification des gaz résiduaires industriels et les catalyseurs de conversion de COV. séparateurs de batterie au lithium. Parce que les supports des catalyseurs au platine utilisés dans les piles à combustible sont principalement des matériaux à base de carbone-tels que le graphite, et les matériaux nano-alumine recouverts sur les séparateurs de batteries au lithium-ion.