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汽车尾气三元催化剂催化机理的量子化学研究

崔晓丽  
【摘要】:近年来,中国经济迅猛发展,汽车人均占有量不断攀升,由此而引发的空气污染问题也日益严重。汽车尾气中含有多种有害物质,其中含量较高的为CH、CO和NO。现有的较为常用的汽车尾气处理技术大致可以归纳为三类:发动机内部净化技术、发动机外部净化处理技术、燃料的改进和替换技术。目前最常用的是发动机外部净化处理技术中的汽车三元催化技术,该技术的关键要素是催化剂的选用,而目前,对汽车三元催化技术的研究主要以实验为主,对于反应的具体机理还没有确切的结论。所以基于三元催化技术在处理汽车尾气领域的重要作用,本文对部分催化反应的机理进行了详细研究。首先,本文采用量子化学密度泛函理论对CH和CO直接还原NO的反应进行了计算研究,得到了直接反应的反应路径和反应的活化能,并以此作为与催化还原反应对比的参照。之后,采用UB3LYP//SDD方法优化得到负载在分子筛ZSM5不同原子附着位点(Si、Al、Ce)上的以Mn为代表的过渡金属催化还原NO相关反应的反应物、过渡态、中间体及产物,分析得到反应路径,并计算获得了反应的活化能。最后,通过分析总结,对反应机理进行了探讨。计算结果表明:CH和CO直接还原NO的反应有多条反应路径,CH直接还原NO的反应的活化能在150-180kJ/mol左右,CO直接还原NO的反应活化能大约为290-350kJ/mol,通过比较我们发现,CH还原NO的反应活化能比CO均相还原NO反应的活化能低很多,说明CH还原NO的反应更容易进行,CH的还原性比CO的还原性强。使用UB3LYP//SDD方法计算优化得到,在ZSM5-Mn催化剂存在的情况下CH还原NO的反应活化能为60-130kJ/mol左右,该催化剂存在时CO还原NO的反应活化能为120-220kJ/mol左右,所以,ZSM5-Mn具有明显的催化效果;催化剂的附着中心原子不同,活化能也有差异,其中以Al作为催化附着中心原子反应的催化剂对两个反应都具有较好的催化效果,这也间接反映了Al2O3作为载体的催化活性相对较好。参考相关文献后推断,温度变化、气体空速和载体等一系列因素都会对催化效果产生影响,所以,进行更深入的研究还需考虑更多因素。本文的量子化学计算揭示了ZSM5-Mn对汽车三元催化的催化机理,为进一步研究过渡金属对三元催化反应的催化作用提供了理论参考。


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