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產綜研開發新型柴油尾氣氧化催化劑,鉑族金屬用量減半

2014年07月16日09:48    

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日本產業技術綜合研究所(產綜研)開發出了能夠使柴油尾氣氧化催化劑中的鉑(Pt)、鈀(Pd)等鉑族金屬的使用量減半的催化劑(圖1)。這種催化劑使用表面多元醇還原法,利用析出而非浸漬的方法來擔載催化劑,不僅耐熱性更高,而且量產性優異。產綜研今后將進行量產試驗以及實車評估,使這種尾氣淨化催化劑投入實用。

表面多元醇還原法(圖2)是利用多元醇將貴金屬的離子還原成金屬的反應,是制造貴金屬納米顆粒的方法之一。此次,產綜研開發出了在催化劑載體的表面直接析出由鉑、鈀等多種貴金屬復合而成的納米顆粒的方法。通過這種方法制成的催化劑的耐熱性好,與利用傳統的浸漬法制造的催化劑相比,能夠大幅減少鉑族金屬的使用量。

汽車尾氣淨化催化劑用途佔到鉑需求的近一半。今后,隨著新興市場國家汽車尾氣排放規定的增強,全球汽車數量不斷增長,在生產國和生產企業有限的情況下,鉑和鈀等金屬的供應量有可能出現短缺。因此,必須使大量使用鉑的柴油氧化催化劑的鉑使用量減少。

在日本新能源產業的技術綜合開發機構(NEDO)的“稀有金屬代替材料開發項目”下,產綜研開始進行鉑納米顆粒的應用研究,目的是開發出使柴油氧化催化劑的鉑族金屬使用量減半的基礎技術。

在使用來捕捉尾氣中碳微粒的柴油顆粒捕捉器再生時,柴油氧化催化劑會暴露於高溫下,這會使作為催化劑的鉑顆粒受熱發生凝聚(熱劣化)。為彌補因此而劣化的催化劑性能,需要使用大量的鉑。因此,提高鉑顆粒的耐熱性是減少鉑族金屬使用量的關鍵。

前面提到的NEDO項目前半段的基礎研究表明,鉑與鈀復合而成的納米顆粒催化劑能夠有效提高耐熱性。因此,產綜研開始面向實用化,開發適合量產的制造工藝。

產綜研開發出了可大量制造鉑鈀納米顆粒催化劑的工藝——表面多元醇還原法(圖3)。具體流程如下:首先在貴金屬鹽的水溶液中加入少量多元醇還原劑(乙二醇等)制成混合水溶液,再加入催化劑載體Al2O3(氧化鋁)粉末進行浸漬,對得到的懸濁液進行加熱,得到干燥粉末﹔然后,在氮氣流中加熱得到的粉末,在粉末表面殘留的多元醇還原劑的作用下,發生還原反應,貴金屬鹽以貴金屬納米顆粒的形式在載體表面析出﹔最后,對該粉末高溫加熱,去除殘留的多元醇還原劑等,就制作出了擔載貴金屬納米顆粒的催化劑。

在透射電子顯微鏡(TEM)下觀察該催化劑可發現,粒度均勻的鉑納米顆粒(3nm左右)直接析出到了氧化鋁粉末的表面(圖4)。

產綜研開發的這種方法接近傳統的實用催化劑制造工藝,能夠滿足實用化所要求的大量生產。

而且,使用表面多元醇還原法制作的鉑鈀復合納米顆粒催化劑不僅可使鉑、鈀的使用量減半,而且,與利用傳統方法制作的催化劑相比,還實現了相同甚至更高的除烴性能(圖5)。這是因為,利用表面多元醇還原法制作的鉑鈀復合納米顆粒催化劑與浸漬法制造的催化劑相比,在高溫下不易發生貴金屬顆粒的燒結,貴金屬顆粒能夠維持催化反應所需的表面積。而耐熱性的增加則有兩方面的原因,一是鉑鈀復合納米顆粒的粒度不易受燒結的影響,二是遏制了鉑鈀合金化導致的燒結。(作者:?田基彥,日經技術在線!供稿)

(責編:值班編輯、庄紅韜)

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