Co3O4/TiO2-NA催化剂用于碳烟限域催化燃烧反应的研究

　　柴油车由于具有燃油效率高、耐久性好、二氧化碳排放量低等优点，而得到广泛应用，但是柴油车尾气中的碳烟（soot）颗粒(PM)严重污染大气环境，威胁人类的生存。目前，与过滤捕集技术（DPF）相结合的催化燃烧技术被认为是最为有效的soot消除后处理技术。一般而言，催化剂的氧化活性很大程度上取决于催化剂本身的氧化还原性能（Redox），但对固体颗粒状的碳烟的氧化，催化剂与碳烟的接触效率也是决定催化剂活性好坏的关键因素。通常情况下，碳烟由于粒径较大而无法进入催化剂的介孔和微孔中，使催化剂的内表面难以得到有效利用。有报道显示，具有三维有序大孔结构的复合氧化物催化剂能显著改善碳烟与催化剂的接触效率，提高催化活性。因此，本课题组首次提出将具有大孔结构的TiO₂纳米管阵列用作碳烟消除催化剂的载体，制得负载型钴基催化剂，在重力沉降作用下，碳烟能够进入纳米管内部, 因而可以提高碳烟与催化剂的接触效率。相关的研究成果以快讯形式发表在2013年10月24日的《Nanoscale》 (Vol.5, 12144-12149）上。 

　　研究表明，相比传统催化剂，该TiO₂纳米管阵列催化剂比粉体TiO₂负载的催化剂具有高得多的催化活性。另外，还采用三种不同方法，即直接沉积法（DD）、化学浴沉积法（CB）和基于表面嫁接的连续离子吸附反应法（SG），分别负载活性Co物种，以进一步改善催化性能。其中巯基乙酸修饰的表面嫁接方法(SG)合成的Co₃O₄纳米晶，粒径更小、分布更加均一，表现出最好的活性。 　　

　　图1（左）催化剂上碳烟催化燃烧DTG谱图；（右）催化剂及标样中钴K－边径向结构函数 

　　由于负载的Co物种量少，且嵌入到管内部，我们无法通过传统的XRD检测手段证明活性组分的存在。而利用北京同步辐射装置（BSRF）获得了重要的结构信息，通过Co K－边径向结构函数图证明了Co₃O₄的成功负载。除了峰强度的差异，所有催化剂的径向结构函数图都与标样Co₃O₄相似。第一个1.5 Å处的峰归属于Co-O 壳层；第二个2.5 Å处的峰归属于最近的Co-Co壳层；第三个3.1 Å处的峰归属于较远的Co-Co壳层。这项表征对解决Co₃O₄纳米晶的存在有否，起到了决定性的作用，同时对其它高分散催化剂体系的研究也具有参考价值。 

　　EXAFS技术作为一种物相表征手段，是认识物质精细结构，尤其是纳米催化材料的精细结构的强有力工具，为深入揭示高分散催化剂活性中心的微观结构提供了科学的依据。在这样研究工作中，高强度、高准直性的同步辐射光束线为得到高精度的实验数据提供了保障。

 　发表文章： 

　　J. L. Ren, Y. F. Yu, F. F. Dai, M. Meng *, J. Zhang, L. R. Zheng and T. D. Hu, Domain-confined catalytic soot combustion over Co₃O₄ anchored on a TiO₂ nanotube array catalyst prepared by mercaptoacetic acid induced surface-grafting, Nanoscale, 2013, 5, 12144-12149.