三維有序大孔鈣鈦礦型LaMnO3催化劑的制備及催化燃燒柴油車炭煙顆粒性能研究

柳香環(huán) 蘭瑩 張伊寧 汪思慧

摘要：本文以甲基丙烯酸甲酯（MMA）為主單體，丙烯酸（AA）為功能單體，過硫酸鉀 （KPS）及偶氮二異丁腈（AIBN）做為水油兩相雙引發(fā)劑，采用無皂乳液聚合法制備了表面含有羧基的PMMA微球.并以此為模板，采用膠體晶體模板法制備高晶的 3DOM LaMnO3鈣鈦礦氧化物（3DOM LaMnO3），并將其用于模擬柴油車炭煙顆粒的催化燃燒反應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)將3DOM LaMnO3催化劑用于炭煙顆粒的催化燃燒反應(yīng)具有很重要的實(shí)際意義.

關(guān)鍵詞：無皂乳液聚合法; 三維有序大孔結(jié)構(gòu); LaMnO3催化劑; 結(jié)構(gòu)表征

1前言

近年來，三維有序大孔材料（3DOM），得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究[1-4]。3DOM材料具有大孔材料的一般特征，如表面積大、孔隙率高等。此外，該材料還具有孔隙結(jié)構(gòu)周期性、孔隙大小均勻可控等特點(diǎn)。生活中柴油車尾氣的炭煙顆粒采用催化氧化后處理技術(shù)處理，隨著柴油車尾氣催化劑的發(fā)展，三維有序大孔材料在催化燃燒炭煙顆粒的反應(yīng)中體現(xiàn)出較高的活性。其降低了炭煙顆粒進(jìn)入催化劑內(nèi)部的擴(kuò)散阻力，提高了有效傳輸，彌補(bǔ)了微孔材料的缺點(diǎn)，而且3DOM材料在催化劑載體、大分子催化等方面都有著優(yōu)越的前景，引起了人們廣泛的關(guān)注。

2三維有序大孔材料（3DOM）的制備

2.1 實(shí)驗(yàn)材料 過硫酸鉀（分析純），甲基丙烯酸甲酯（MMA化學(xué)純），丙烯酸（AA） 、偶氮二異丁腈（AIBN）、十二烷基苯磺酸鈉（SDBS分析純）

2.2 PMMA微球的合成與采用（無皂乳液聚合法） 在N2的保護(hù)下，將10mL經(jīng)減壓蒸餾提純后的MMA傾入盛有80mL去離子水的250mL四頸燒瓶中，室溫下攪拌20分鐘后，加入濃度為0.05mol/L的SDBS溶液10mL在室溫下繼續(xù)磁力攪拌30分鐘，得到均勻乳液。然后，將20mL溶有0.026克過硫酸鉀的溶液，以每秒1-2滴的速度滴加到上述的均勻乳液中，攪拌均勻后，在80℃下，加熱回流2小時(shí)后，得到白色懸浮液，經(jīng)冷卻、離心分離、水洗3次、無水乙醇漂洗后，50℃下干燥、研磨，得到的白色固體顆粒，記為PMMA聚合物微球。

2.3膠體晶體的自組裝 本項(xiàng)目采用膠體晶體模板法制備高晶的3DOM LaMnO3鈣鈦礦氧化物，用于制備膠體晶體模板的PMMA微球需滿足以下幾個(gè)要求：（1）單分散性好，粒徑的相對(duì)偏差一般小于5%;（2）性能穩(wěn)定，不與前體反應(yīng)但可被其充分潤(rùn)濕;（3）容易去除。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）微球的單分散性好，制備方便，常被用于制備膠體晶體模板【5】。

2.4膠體晶體模板法概述 模板法【6】是現(xiàn)階段制備有序多孔材料最常用的方法。膠體晶體模板法制備的多孔材料的孔徑一般大于 50 nm， 屬于大孔材料【7】。膠體晶體是單分散微球通過自組裝形成的，具有三維有序的空間結(jié)構(gòu)。微球間的空隙體積約占總體積的26%【8】。以膠體晶體為模板制備的三維有序大孔材料是膠體晶體的反復(fù)制，孔的排列周期有序，可通過改變微球粒徑調(diào)節(jié)孔徑大小。首先制備單分散微球并自組裝成為長(zhǎng)程有序的膠體晶體，然后以膠體晶體作為模板將前體填充到模板間隙，并使其轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔?最后通過焙燒或用物理，化學(xué)方法溶解去除模板， 得到3DOM材料。

3 問題與展望

從環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)測(cè)中能看出，柴油車尾氣中的炭煙顆粒污染物對(duì)環(huán)境和人體健康的危害很大。對(duì)柴油車尾氣的處理雖目前已取得了一定的進(jìn)展，但仍有許多問題需進(jìn)一步解決。柴油車排放的尾氣中涉及到的化學(xué)反應(yīng)非常復(fù)雜，既有炭煙 、烴類和 CO的氧化反應(yīng)和氮氧化物的還原反應(yīng)，也有部分水蒸氣重整反應(yīng)與水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)， 還存在少量SO2的影響。這使柴油車尾氣治理技術(shù)變得更復(fù)雜。我們要針對(duì)這些問題去設(shè)想，研發(fā)出性能好、活性高的催化劑，而尾氣凈化催化劑體系并非一種催化劑能實(shí)現(xiàn)，除了在技術(shù)上進(jìn)一步探究顆粒排放機(jī)理，找到合適的催化劑和新的有效凈化措施外，還應(yīng)從發(fā)動(dòng)機(jī)的制造到使用各環(huán)節(jié)著手，使柴油車的炭煙顆粒物排放得到有效的控制。故利用催化科學(xué)和技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)作用，結(jié)合合理的柴油車尾氣處理技術(shù)路線，解決柴油車排放污染問題具有重要的實(shí)際意義。

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基金項(xiàng)目：

沈陽(yáng)師范大學(xué)2019年大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目，（項(xiàng)目名稱：三維有序大孔鈣鈦礦型LaMnO3催化劑的制備及催化燃燒柴油車炭煙顆粒性能研究;項(xiàng)目編號(hào)：201910166130; 項(xiàng)目級(jí)別：校級(jí)重點(diǎn)）