Effet de la lacune en oxygène et du MnOx hautement dispersé sur la combustion des suies dans le catalyseur cérium-manganèse

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 3386 (2023) Citer cet article

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Les catalyseurs bimétalliques cérium-manganèse font désormais l’objet de recherches actuelles en raison de leurs excellentes performances catalytiques pour la combustion des suies. Deux séries de catalyseurs cérium-manganèse (catalyseurs sans Na et catalyseurs contenant du Na) ont été préparées par méthode de coprécipitation et caractérisées par XRD, adsorption-désorption de N2, SEM, Raman, XPS, H2-TPR, O2-TPD, Suie-TPR- MS et IR in situ. Les effets des lacunes abondantes en oxygène et du MnOx hautement dispersé en surface sur la combustion catalytique de suie de catalyseurs cérium-manganèse préparés par différents précipitants ont été analysés. Les résultats des tests d'activité montrent que les espèces actives d'oxygène libérées par un grand nombre de lacunes d'oxygène dans le catalyseur cérium-manganèse sont plus favorables à la combustion catalytique des suies que le MnOx qui est fortement dispersé à la surface du catalyseur et présente de bonnes performances redox à faible température. température. Étant donné que l'effet catalytique du MnOx sur la surface des catalyseurs sans Na dépend davantage des conditions de contact entre le catalyseur et la suie, ce phénomène peut être observé plus facilement dans des conditions de contact lâches que dans des conditions de contact serrées. Les résultats des tests de cycle d'activité montrent que ces deux séries de catalyseurs présentent une bonne stabilité et qu'une utilisation répétée ne provoquera pratiquement aucune désactivation des catalyseurs.

Les particules de suie émises par les moteurs diesel peuvent non seulement provoquer une pollution de l'air et de la brume, mais aussi facilement envahir le système respiratoire humain en raison de leur petite taille. De plus, les métaux lourds et les matières organiques qu'ils absorbent peuvent provoquer des maladies graves1,2,3. Le filtre à particules diesel (DPF) avec une efficacité de filtration allant jusqu'à 90 % est un moyen efficace de contrôler les émissions de suie4. La température initiale de combustion des suies est supérieure à 450 °C et la température de combustion est supérieure à 650 °C, elle n'est donc pas propice à la combustion spontanée des suies dans la plage de température d'échappement des moteurs diesel (200 à 400 °C). Par conséquent, le catalyseur est nécessaire pour réduire la température de combustion des suies, favoriser la régénération passive du DPF et réduire la pression du filtre5.

Actuellement, les catalyseurs commerciaux de combustion de suie contiennent environ 0,75 % en poids de platine, ce qui représente un tiers du coût total du filtre6. Par conséquent, un grand nombre de catalyseurs de métaux non nobles (tels que les catalyseurs de métaux de transition, de métaux alcalins, de métaux alcalino-terreux, de pérovskite, d'oxyde composite de cérium, etc.) ont été étudiés de manière approfondie afin de remplacer le platine dans le DPF7,8,9, 10,11,12,13. Parmi les différents types de catalyseurs d’oxydation des suies, les catalyseurs à base d’oxyde composite de cérium et de manganèse sont considérés comme des substituts potentiels au catalyseur Pt/Al2O3 qui a été commercialisé en raison de leur bonne activité d’oxydation6.

Le cérium, élément de terre rare, possède une excellente capacité de stockage/libération d'oxygène en raison de sa structure unique de couche électronique 4f. Selon le « mécanisme des espèces réactives de l'oxygène », les espèces réactives de l'oxygène libérées par CeO2 sont très propices à l'oxydation des suies en raison du bon rendement de conversion réversible de Ce4+/Ce3+14,15. Comme l’orbitale 3D n’est pas remplie, le manganèse, un métal de transition, possède de nombreux états de valence, et la transformation de différents états de valence formera des lacunes en oxygène au cours du processus de combustion catalytique des suies, montrant ainsi une activité catalytique élevée16. Les catalyseurs à base d'oxyde composite de cérium et de manganèse ont été largement étudiés car ils peuvent combiner les avantages des deux catalyseurs ci-dessus et améliorer encore l'activité catalytique de l'oxydation des suies6.

A partir des recherches actuelles sur la combustion catalytique des suies de catalyseurs bimétalliques cérium-manganèse en atmosphère O2, elles se concentrent principalement sur l'amélioration des propriétés intrinsèques des catalyseurs (augmentation de la quantité d'espèces réactives de l'oxygène) et la modification de la morphologie des catalyseurs de manière à favoriser la capacité de contact entre les catalyseurs et la suie. Mukherjee et al.17 ont étudié les effets de différents éléments dopés (métaux des terres rares et métaux de transition Zr, Hf, Fe, Mn, Pr et La) sur la combustion des suies du catalyseur CeO2 et ont découvert que le catalyseur dopé au Mn présentait la plus forte concentration de surface. les espèces d'oxygène adsorbées et l'oxygène du réseau le plus faiblement lié parmi tous les matériaux, montrant ainsi la meilleure activité d'oxydation de la suie. Liang et al.18 ont découvert que dans des conditions de contact lâche, l'activité de combustion catalytique de suie de MnOx-CeO2 était supérieure à celle de CuOx-CeO2, car l'ajout de Mnx+ dans le réseau de CeO2 pourrait favoriser la génération de plus de lacunes en oxygène, favorisant ainsi l'adsorption de l'oxygène. à la surface. He et al.19 ont comparé le catalyseur Ce0.5Zr0.5O2 modifié avec différents métaux de transition Mn, Fe et Co, et ont découvert que l'activité catalytique de suie du catalyseur Ce0.5Zr0.5O2 dopé au Mn ou au Co était supérieure à celle dopé au Fe en raison à l'augmentation des espèces réactives de l'oxygène et à la mobilité de l'oxygène dans le réseau du catalyseur. Wang et al.20 ont synthétisé des solutions solides de MnxCe1-xO2 dans des nanofeuillets mésoporeux par méthode hydrothermale. Le catalyseur présentait d'excellentes performances de combustion des suies, principalement en raison de sa caractéristique unique en forme de nanofeuillet mésoporeux, de ses espèces de Mn à haute valence, de ses espèces réactives de l'oxygène abondantes et de ses performances redox élevées. Zhao et al.21 ont préparé une série de composites MnOx-CeO2 et ont découvert que l'activité catalytique de la suie était la meilleure lorsque Mn/(Mn + Ce) était de 20 % at. En effet, la structure poreuse du catalyseur était similaire à la taille des particules de suie, ce qui favorisait le contact entre le catalyseur et la suie.