Кислотно-основные свойства алюмооксидного носителя, модифицированного ионами европия и платины, для получения трехмаршрутных катализаторов

Аннотация

Трехмаршрутные катализаторы способствуют одновременному превращению CO, C_xH_y и NO_x в CO₂, N₂ и H₂O. Они состоят из керамического или металлического блока ячеистой структуры, на внутреннюю поверхность которого нанесено каталитически активное покрытие, содержащее оксидные носители (оксиды алюминия, циркония и церия), благородные металлы (Pt, Pd и Rh) и модификаторы.

Оксидный носитель должен иметь развитую удельную поверхность и достаточную концентрацию кислотно-основных центров, что характерно для низкотемпературной модификации γ-Al₂O₃. Основные причины дезактивации катализатора – блокирование активных центров, эрозия подложки, снижение удельной поверхности Al₂O₃. Одним из эффективных способов повышения устойчивости катализатора к термической дезактивации является его модифицирование редкоземельными металлами (РЗМ). В данной работе для модификации поверхности платиносодержащего оксида алюминия использовали ионы Eu³⁺. Суспензию измельчали в бисерной мельнице, сушили на полимерной подложке при 150℃ в течение 4-х часов, спекали при 500℃, исследовали методами ИК-спектроскопии, ПЭМ, индикаторным методом.

При исследовании кислотно-основных свойств поверхности порошков использовали два метода: метод ИК-Фурье спектроскопии для определения льюисовских центров и метод индикаторов Гамета для выявления бренстедовских центров.

Для определения количества кислотных центров Льюиса на поверхности экспериментальных образцов в качестве молекулы-зонда использовали пиридин. Концентрацию кислотных центров оценивали из интегральной интенсивности соответствующих этим центрам полос поглощения в спектрах адсорбированного пиридина. ИК-спектры снимали на образцах суспензий на основе оксида алюминия, модифицированных ионами платины и европия и спеченных при температурах 500℃. Образец, модифицированный ионами платины и европия, имеет наибольшую концентрацию льюисовских кислотных центров (0.28 ммоль/г). Кислотные центры на поверхности автомобильного катализатора будут способствовать сорбции и превращению углеводородов, содержащихся в выхлопных газах в углекислый газ и воду.

Содержание бренстедовских центров адсорбции определяли по изменению оптической плотности стандартных растворов индикаторов при длинах волн, отвечающих максимумам их поглощения. Из результатов индикаторного анализа следует, что концентрация центров Бренстеда в образце Pt⁴⁺/γ-Al₂O₃ снижается с ростом рК_а индикаторов. Концентрация центров Бренстеда в образце Eu³⁺, Pt⁴⁺/γ-Al₂O₃ сначала растет, затем снижается. В образце Pt⁴⁺/ γ-Al₂O₃ большое количество межслоевой воды, так как кислотные центры Бренстеда связаны именно с этим. Добавление ионов европия снижает концентрацию межслоевой воды и будет препятствовать спеканию зерен оксида алюминия в процессе эксплуатации катализатора.

По данным просвечивающей электронной микроскопии образцы наноструктурированные. На поверхности наночастиц вытянутой формы оксида алюминия расположены наночастицы губчатой платины в образце Pt⁴⁺/ γ-Al₂O₃ и наностержни Eu₂O₃; в образце Eu³⁺, Pt⁴⁺/ γ-Al₂O₃ присутствуют и наночастицы губчатой платины, и наностержни Eu₂O₃. Добавление модификаторов Eu, Pt вызывает снижение размера частиц оксида алюминия на 5-7 нм. Размер частиц платины практически не меняется в образцах Eu³⁺, Pt⁴⁺/ γ-Al₂O₃ и Pt⁴⁺/ γ-Al₂O₃. Длина наностержней оксида европия уменьшается от образца Eu³⁺ /γ-Аl₂О₃ к образцу Eu³⁺, Pt⁴⁺/ γ-Al₂O₃.

Синтезированные образцы катализаторов испытывали на стенде определения каталитической активности ООО «Экоальянс». Окислительно-восстановительные процессы превращения газов CхHу, CO, NOx в конечные продукты СО_2, Н₂О, N₂ на катализаторе состава Eu³⁺, Pt⁴⁺/ γ-Al₂O₃ происходят более эффективно, чем на катализаторе Pt⁴⁺/ γ-Al₂O₃, степень конверсии увеличивается на 3-4 %.

Полученные результаты являются заделом для продолжения работ по модифицированию алюмоплатинового катализатора ионами редкоземельных элементов для эффективной очистки выхлопных газов.