CN102992383A - 一种耐高温、高比表面积CeO2及其制法和用途 - Google Patents

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伍士国
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Abstract

一种耐高温、高比表面积并具有介孔纳米结构二氧化铈,它是在800℃焙烧后晶粒小于20nm,比表面积可达100m2/g以上,孔容可达0.7cm3/g以上的二氧化铈,明显优于已知二氧化铈的相关参数。本发明的特点在于:所得样品在高温下仍能具有高比表面积、且孔径分布窄,适合应用于汽车尾气三效催化剂的载体。本发明公开了其制法。

Description

一种耐高温、高比表面积CeO2及其制法和用途
技术领域
本发明涉及一种耐高温、高比表面积纳米稀土催化材料,适用于制备汽车尾气净化处理的催化剂。
背景技术
汽车尾气是大气污染的主要来源之一,随着人们环保意识的增强,国际国内对汽车尾气排放标准要求越来越高。二氧化铈(CeO2)是一种十分重要的稀土过渡金属氧化物功能材料,由于其Ce3+/Ce4+很容易可逆转换,具有良好的储释氧能力,有利于调节汽车在富燃、贫燃条件下的氧平衡,因此被广泛应用汽车尾气净化催化剂。通常将Pt、Pd、Rh负载在CeO2上,并涂覆在蜂窝状陶瓷表面制成汽车尾气净化催化剂。但汽车尾气的温度通常在800℃以上,在这样的高温下CeO2晶体颗粒极易长大,比表面积急剧下降,从而导致其表面的Pt、Pd、Rh发生团聚,也降低了它的储释氧能力,使其催化性能严重下降。为了解决这一问题,通常向CeO2里掺入ZrO2形成铈锆固熔体作为载体负载Pt、Pd、Rh等活性组分。这在一定程度上增强了载体的热稳定性,但仍然不能满足要求,且掺入ZrO2后催化活性有所下降。目前许多关于CeO2的专利大都集中在增大比表面积上,虽然在常温或中低温下它们的比表面积能达到200m2/g以上,但是在800℃及以上高温时,它们的比表面积会急剧下降。
如何增强CeO2在高温下的热稳定性是汽车尾气净化需要解决的问题,它不仅可以提高催化剂的催化效率,也可以延长催化剂使用寿命,还可以节省Pt、Pd、Rh等贵金属的消耗量。
本发明报道了一种制备耐高温高比表面CeO2的方法,制备的材料在800℃下空气焙烧时,仍能保持其晶粒在十几个纳米以下,比表面积达100m2/g以上。该材料具有介孔结构、高比表面积、耐高温等优点,适合用于汽车尾气中的三效催化剂制备。
发明内容
本发明的目的是提供一种耐高温、高比表面积介孔结构的二氧化铈纳米氧化物及其制备方法。
本发明的原理如下:利用表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)容易吸附在晶粒的表面,形成一层保护层,阻碍晶粒的进一步长大,同时表面活性剂之间易形成小的胶团,有利于孔道结构的形成。经过长时间的老化,晶粒结构也比较规整,更容易耐高温。最终形成耐高温高比表面积的介孔二氧化铈纳米材料。
本发明的技术方案如下:
一种耐高温、高比表面积并具有介孔纳米结构的二氧化铈,它在800℃焙烧后晶粒小于20nm,其比表面积可达100m2/g以上,孔容可达0.7cm3/g以上。
一种制备上述的具有介孔纳米结构的二氧化铈,它包括下列步骤:
称取七水合氯化亚铈溶于去离子水中(0.06mol/L),再称取十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)溶于去离子水(0.05mol/L),然后将两者混合均匀,所述的Ce与CTAB的物质的量之比为Ce:CTAB=1~1.2:1,向该混合溶液中缓慢滴加质量百分浓度为25%的氨水,直到pH值为11以上,再搅拌2小时~3小时,密封,油浴恒温加热至90℃~100℃,并继续搅拌90~120小时,自然冷却至室温,沉淀过滤,并用水洗涤多次,再用乙醇或丙酮洗涤后置于70℃真空干燥箱中干燥12小时,再将其置于800℃空气中焙烧4小时,冷却至常温,即得耐高温、高比表面积并具有介孔纳米结构二氧化铈。
为了比较制备样品的效果,同时用普通制备方法制备了二氧化铈(硝酸亚铈直接分解法(用代号a表示),草酸滴定法(用代号b表示)),将其与本发明的耐高温高比表面积纳米二氧化铈样品(用代号c表示)相比较,分别采用比表面积(BET)、孔分布(BJH)、广角XRD等表征手段对其进行表征。结果见附表1和附图1-3。XRD结果表明:在800℃焙烧后,本发明的二氧化铈样品半峰宽比普通方法制备的样品大很多,说明其晶粒比另外两种也小很多。通过BET测试,本发明样品的比表面积高达100m2/g以上,普通方法制备样品的比表面积只有其1/10左右。从BJH测试结果看孔分布及孔容,本发明样品的孔径小,孔容比另两种样品大很多。从吸脱附等温曲线看,本发明的样品是一个明显的介孔结构,孔道结构较为规整。
本发明的特点在于:所得样品耐高温且比表面积高、孔径分布窄,适合应用于汽车尾气净化三效催化剂的载体,具有潜在的工业应用前景。
附图说明
图1为800℃下焙烧后,普通制备方法制备的二氧化铈(硝酸亚铈直接分解法(用代号a表示),草酸滴定法(用代号b表示))与本发明制备的耐高温、高比表面积介孔纳米CeO2材料(用代号c表示)在800℃焙烧后的广角X射线衍射图。
图2为普通制备方法制备的二氧化铈(硝酸亚铈直接分解法(用代号a表示),草酸滴定法(用代号b表示))与本发明制备的耐高温、高比表面积介孔纳米CeO2材料(用代号c表示)在800℃焙烧后的孔径分布图。
图3普通制备方法制备的二氧化铈(硝酸亚铈直接分解法(用代号a表示),草酸滴定法(用代号b表示)),与本发明制备的耐高温高比表面积介孔纳米CeO2材料(用代号c表示)在800℃焙烧后的N2吸附-脱附等温线图。
图4为本发明制得含铜8%的铜铈催化剂用于模拟汽车尾气中NO+CO的反应结果(在图4中用a表示)。与相同铜含量的常规铜铈催化剂的活性结果(在图4中用b表示)相比,其活性明显提高。
具体实施方式
实施例1:
称取3.73g的CeCl3·7H2O、3.64g的十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)分别溶于去离子水中,并加水至140ml,向该混合溶液中缓慢滴加浓氨水(25wt%),直到PH值约为12以上,再搅拌2小时左右,密封,恒温油浴(90℃)加热,并继续搅拌四天。自然冷却至室温,沉淀过滤,并用大量水洗涤4~5次,再用乙醇或丙酮洗涤2~3次。置于70℃真空干燥箱中干燥12小时左右。再将样品置于800℃空气中焙烧4小时,升温速度为2℃/min,冷却至常温,即得耐高温、高比表面积并具有介孔纳米结构二氧化铈。
实施例2:
称取4.46g的CeCl3·7H2O、3.64g的十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)分别溶于去离子水中,并加去至140ml,向该混合溶液中缓慢滴加浓氨水(25wt%),直到PH值约为12以上,再搅拌2小时左右,密封恒温油浴(90℃)并继续搅拌四天。自然冷却至室温,沉淀过滤,并用大量水洗涤4~5次,再用乙醇或丙酮洗涤2~3次。置于70℃真空干燥箱中干燥12小时左右。再将样品置800℃空气中焙烧4小时,升温速度为2℃/min,冷却至常温,即得耐高温、高比表面积并具有介孔纳米结构二氧化铈。
实施例1和实施例2的产品的BET、XRD、BJH、N2吸附-脱附分析结果如表1和图1-3(C)所示。
实施例3:
称取4.34g的Ce(NO3)3·6H2O,3.64g的十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)分别溶于去离子水中,并加去至140ml,向该混合溶液中缓慢滴加浓氨水(25wt%),直到PH值约为12以上,再搅拌2小时左右,密封恒温油浴(90℃)并继续搅拌四天。自然冷却至室温,沉淀过滤,并用大量水洗涤4~5次,再用乙醇或丙酮洗涤2~3次。置于70℃真空干燥箱中干燥12小时左右。再将样品置于800℃空气中焙烧4小时,升温速度为2℃/min,冷却至常温,即得耐高温、高比表面积并具有介孔纳米结构二氧化铈。其BET结果见表1所示。
实施例4:
称取2.42g的Cu(NO3)2·3H2O并配成0.1mol/L溶液,再称取9.2g本发明的CeO2,将两者混合搅拌4小时,再在100℃下加热蒸干,置于110℃烘箱中干燥12小时。再将样品置于600℃空气中焙烧4小时,升温速度为2℃/min,冷却至常温,制得含铜8%的铜铈催化剂(在图4中用a表示)。将其用于模拟汽车尾气中NO+CO的反应,其活性与相同铜含量的常规铜铈催化剂(在图4中用b表示)相比较,结果如图4所示。
表1不同方法制备二氧化铈的比表面积(800℃焙烧)
  制备方法   比表面积(m2g-1)
 CeO2(CeCl3·7H2O+CTAB+NH3·H2O)   102
 CeO2(Ce(NO3)3·6H2O+CTAB+NH3·H2O)   75
  CeO2(Ce(NO3)3·6H2O+C2H2O4)   10
  CeO2(Ce(NO3)3·6H2O直接分解)   9

Claims (4)

1.一种耐高温、高比表面积并具有介孔纳米结构二氧化铈,其特征是:它是在800℃焙烧后晶粒小于20nm,比表面积为100m2/g以上,孔容为0.7 cm3/g的二氧化铈。
2.一种制备权利要求1所述的耐高温、高比表面积并具有介孔纳米结构二氧化铈的方法,其特征是:
称取七水合氯化亚铈溶于去离子水中,再称取十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)溶于去离子水,然后再将两者混合均匀,所述的Ce与CTAB的物质的量之比为Ce:CTAB=1~1.2:1,向该混合溶液中缓慢滴加质量百分浓度为25%的氨水,直到pH值为11以上,再搅拌2小时,密封,90℃~100℃恒温油浴加热,并继续搅拌90~120小时,自然冷却至室温,沉淀过滤,并用水洗涤多次,再用乙醇或丙酮洗涤后置于70℃真空干燥箱中干燥12小时,再将样品置于800℃空气中焙烧4小时,冷却至常温即得耐高温高比表面积并具有介孔纳米结构二氧化铈。
3.权利要求2所述的制备方法,所述的七水合氯化亚铈溶于去离子水是配成0.06mol/L浓度的溶液;所述的十六烷基三甲基溴化铵溶于去离子水是配成0.05mol/L浓度的溶液。
4.权利要求1所述的耐高温、高比表面积并具有介孔纳米结构二氧化铈在制备汽车尾气净化催化剂中的应用。
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