Нанокристаллический бемит в процессе изготовления каталитического нейтрализатора отработавших газов дизельных двигателей

В настоящее время возрастают требования по обеспечению экологических нормативов и, в то же время, требуется удешевление применяемых устройств. Все эти требования напрямую имеют отношение к сельскохозяйственной техники. При очистке отработавших газов дизельных двигателей активно внедряется применение каталитических нейтрализаторов отработавших газов. Исследования и разработки в этой области направлены на снижение потребления дефицитных и дорогостоящих металлов платиновой группы (речь об этих металлах ведется ввиду достаточно широкого распространения каталитических нейтрализаторов отработавших газов, в составе которых имеются благородные металлы).

Основным конструктивным элементом сажевого фильтра является матрица , которая изготавливается из керамики (карбида кремния). Керамическая матрица имеет ячеистую структуру, состоящую из каналов малого сечения, попеременно закрытых с одной и с другой стороны. Стенки каналов имеют пористую структуру и выполняют функцию фильтра. На поверхность стенок нанесен тонкий слой катализатора. Матрица помещена в металлический корпус.

При прохождении отработавших газов через сажевый фильтр с каталитическим покрытием, частицы сажи задерживаются на поверхности стенок матрицы. Нанесенный на стенки матрицы катализатор способствует окислению несгоревших углеводородов и угарного газа.

Хотелось бы подробнее остановиться на методе формирования подложки под каталитическое покрытие.

Лабораторией ГОСНИТИ предложен следующий способ формирования подложки с развитой поверхностной структурой.

Керамические носители (субстраты) прокаливаются в муфельной печи при температуре 600 °С в течении двух часов. После остывания они погружаются в 4-5 процентную суспензию окиси-гидроокиси алюминия (бемита). В качестве высокотемпературного связующего использовался нитрат алюминия в количестве 1-3 %. После просушивания покрытые субстраты прокаливаются в муфельной печи при температуре 600650 °С в течении 6 часов.

Для приготовления наносуспензии были использованы образцы бемита с удельной поверхностью 78,4 и 170,2 м2/г (рисунок 1).

Использование наносуспензии бемита с высокой удельной поверхностью способствует образованию при последующей термообработке на поверхности носителя высокопористой наноструктуры, что обеспечивает возможность получения высокоактивных катализаторов очистки газов.

Рисунок 1- Порошок нанокристаллического бемита.

Объемное изображение (площадь сканирования 3х3х2,6 мкм).

После нанесения подложек были отобраны образцы для проведения сканирования поверхности и определения удельной поверхности полученных покрытий.

По полученным данным удельная поверхность непокрытого керамического блока имеет величину менее одного квадратного метра не грамм.

Удельная поверхность блока с покрытием на основе нанобемита с Sуд = 78,4 м2/г составила 3,2 м2/г, а для бемита с Sуд = 170,2 м2/г -  5,4 м2/г. при этом, ввиду имеющихся технических возможностей определялась удельная поверхность покрытия вместе с керамическим носителем, а не чисто покрытия.

На рисунке 2 и 3 представлены топология поверхности керамического носителя без покрытия подложкой из нанобемита и с покрытием, изображения получены с применением сканирующего зондового микроскопа Solver Next.

Рисунок 2 – структура поверхности керамического носителя без подложки (площадь сканирования 3х3х2,6 мкм).

Для образца с нанесенной наноструктурной подложкой характерно наличие развитой поверхности с размерами пор на границе чувствительности используемого прибора.

Рисунок 3 – структура поверхности керамического носителя с подложкой из нанобемита Sуд = 170,2 м2/г (площадь сканирования 3х3х2,6 мкм).

Полученные результаты по измерению удельной поверхности покрытия и сканированию подтверждают образование не поверхности керамического блочного носителя наноструктурной подложки.

Для очистки отработавших газов дизельных двигателей от твердых частиц в ГОСНИТИ разрабатывается конструкция нейтрализатора включающая многоступенчатую очистку от сажи. Предпологается разработка конструкции в которой изначально производится сепарация крупных частиц сажи с ее накоплением в застойных зонах. Затем газы проходят через тканевый фильтр тонкой очистки. При этом предусмотрен каталитический дожиг сажи скапливающейся в застойных зонах и на фильтре тонкой очистки.

Поскольку в каталитическом нейтрализаторе с монолитным носителем имеет место гетерогенный катализ, для эффективности которого требуется максимально возможная поверхность контакта катализатора и реакционной смеси (в данном случае отработавших газов), то необходимо как можно больше развить поверхность используемого носителя.