تطبيق أكسيد العناصر الأرضية النادرة النانوية في عوادم السيارات

كما نعلم جميعًا، تتكون المعادن الأرضية النادرة في الصين بشكل رئيسي من مكونات أرضية نادرة خفيفة، ويمثل اللانثانوم والسيريوم أكثر من 60% منها. ومع التوسع في استخدام مواد المغناطيس الدائم للأتربة النادرة، والمواد المضيئة للأتربة النادرة، ومساحيق تلميع الأتربة النادرة، والأتربة النادرة في الصناعة المعدنية في الصين عامًا بعد عام، يتزايد الطلب على الأتربة النادرة المتوسطة والثقيلة في السوق المحلية بسرعة. وقد تسبب ذلك في تراكم كبير للأتربة النادرة الخفيفة عالية الوفرة مثل Ce وLa وPr، مما يؤدي إلى اختلال خطير في التوازن بين استغلال وتطبيق موارد الأتربة النادرة في الصين. وقد وُجد أن عناصر الأتربة النادرة الخفيفة تُظهر أداءً تحفيزيًا وفعالية جيدة في عملية التفاعل الكيميائي نظرًا لتركيبها الفريد لغلاف الإلكترون 4f. لذلك، يُعد استخدام الأتربة النادرة الخفيفة كمادة حفزية طريقة جيدة للاستخدام الشامل لموارد الأتربة النادرة. المحفز هو نوع من المواد التي يمكنها تسريع التفاعل الكيميائي ولا يتم استهلاكه قبل التفاعل وبعده. إن تعزيز البحث الأساسي في مجال تحفيز العناصر الأرضية النادرة لا يمكن أن يؤدي فقط إلى تحسين كفاءة الإنتاج، بل وأيضاً إلى توفير الموارد والطاقة والحد من التلوث البيئي، وهو ما يتماشى مع الاتجاه الاستراتيجي للتنمية المستدامة.

لماذا تمتلك العناصر الأرضية النادرة نشاطًا تحفيزيًا؟

تتميز العناصر الأرضية النادرة بتركيب إلكتروني خارجي خاص (4f)، يعمل بمثابة الذرة المركزية للمركب، وله أرقام تنسيقية متنوعة تتراوح بين 6 و12. يُحدد تباين الأرقام التنسيقية للعناصر الأرضية النادرة امتلاكها "تكافؤًا متبقيًا". ولأن 4f يحتوي على سبعة مدارات إلكترونية احتياطية ذات قدرة على الترابط، فإنه يلعب دور "رابطة كيميائية احتياطية" أو "تكافؤ متبقي". هذه القدرة ضرورية للمحفز الرسمي. لذلك، لا تتميز العناصر الأرضية النادرة بنشاط تحفيزي فحسب، بل يمكن استخدامها أيضًا كمضافات أو محفزات مساعدة لتحسين الأداء التحفيزي للمحفزات، وخاصةً قدرتها على مقاومة الشيخوخة ومقاومة التسمم.

في الوقت الحاضر، أصبح دور أكسيد السيريوم النانوي وأكسيد اللانثانوم النانوي في معالجة عوادم السيارات محورًا جديدًا.

تشمل المكونات الضارة في عوادم السيارات بشكل رئيسي أول أكسيد الكربون، والهيدروكربون، وأكاسيد النيتروجين. تتكون العناصر الأرضية النادرة المستخدمة في محفز تنقية عوادم السيارات من خليط من أكسيد السيريوم، وأكسيد البراسيوديميوم، وأكسيد اللانثانوم. يتكون محفز تنقية عوادم السيارات من أكاسيد معقدة من العناصر الأرضية النادرة، والكوبالت، والمنغنيز، والرصاص. وهو نوع من المحفزات الثلاثية، يتكون من البيروفسكايت والإسبنيل، ويشكل أكسيد السيريوم المكون الرئيسي فيه. بفضل خصائص الأكسدة والاختزال لأكسيد السيريوم، يمكن التحكم في مكونات غاز العادم بفعالية.

يتكون محفز تنقية عوادم السيارات بشكل رئيسي من حامل سيراميكي (أو معدني) على شكل قرص العسل وطلاء مُنشَّط سطحيًا. يتكون الطلاء المُنشَّط من مساحة كبيرة من γ-Al2O3، وكمية مناسبة من الأكسيد لتثبيت مساحة السطح، ومعدن نشط تحفيزيًا مُشتَّت في الطلاء. لتقليل استهلاك البلاتين والهيدروجين عاليي الثمن، وزيادة استهلاك البالاديوم الأرخص، وخفض تكلفة المحفز، ولضمان عدم انخفاض أداء محفز تنقية عوادم السيارات، تُضاف عادةً كمية معينة من ثاني أكسيد السيريوم (CeO2) وأكسيد الليثيوم (La2O3) إلى طلاء التنشيط للمحفز الثلاثي الشائع الاستخدام (Pt-Pd-Rh) لتكوين محفز ثلاثي من معادن الأرض النادرة الثمينة ذو تأثير تحفيزي ممتاز. استُخدم La2O3 (UG-LaO1) وCeO2 كمحفزات لتحسين أداء محفزات المعادن النبيلة المدعومة بـ γ-Al2O3. ووفقًا للدراسات، فإن آلية عمل ثاني أكسيد السيريوم الرئيسية في محفزات المعادن النبيلة هي كما يلي:

١. تحسين النشاط التحفيزي للطلاء النشط بإضافة ثاني أكسيد السيريوم (CeO2) للحفاظ على تشتت جزيئات المعدن النفيس في الطلاء النشط، وذلك لتجنب انخفاض نقاط الشبكة التحفيزية وتضرر النشاط الناتج عن التلبيد. إضافة ثاني أكسيد السيريوم (UG-CeO1) إلى البلاتين/γ-Al2O3 يمكن أن يؤدي إلى تشتت γ-Al2O3 في طبقة واحدة (أقصى كمية تشتت في طبقة واحدة هي ٠.٠٣٥ غ من ثاني أكسيد السيريوم/غ من γ-Al2O3)، مما يغير خصائص سطح γ-Al2O3 ويحسن درجة تشتت البلاتين. عندما يكون محتوى ثاني أكسيد السيريوم مساويًا أو قريبًا من عتبة التشتت، تصل درجة تشتت البلاتين إلى أعلى مستوياتها. عتبة تشتت ثاني أكسيد السيريوم هي أفضل جرعة من ثاني أكسيد السيريوم. في جو الأكسدة الذي يزيد عن 600 درجة مئوية، يفقد أيون الحديد نشاطه نتيجةً لتكوين محلول صلب بين أيون الحديد Rh2O3 وأيون الألمنيوم Al2O3. يُضعف وجود أكسيد السيريوم CeO2 التفاعل بين أيون الحديد Rh وأيون الألمنيوم Al2O3، ويحافظ على نشاط أيون الحديد Rh. كما يُمكن لثنائي أكسيد الليثيوم La2O3 (UG-La01) أن يمنع نمو جسيمات البلاتين فائقة الدقة. وقد وُجد أن إضافة ثنائي أكسيد السيريوم CeO2 وثنائي أكسيد الليثيوم La2O3 (UG-La01) إلى البالاديوم/γ2al2o3 تُعزز تشتت البالاديوم على الناقل وتُنتج اختزالًا تآزريًا. ويُعتبر التشتت العالي للبلاديوم وتفاعله مع ثنائي أكسيد السيريوم CeO2 على البالاديوم/γ2Al2O3 سرّ النشاط العالي للمحفز.

2. نسبة الهواء إلى الوقود المعدلة تلقائيًا (aπ f): عند ارتفاع درجة حرارة بدء تشغيل السيارة، أو عند تغيير وضع القيادة والسرعة، يتغير معدل تدفق العادم وتركيب غاز العادم، مما يجعل ظروف عمل محفز تنقية غاز عادم السيارة تتغير باستمرار ويؤثر على أدائه التحفيزي. من الضروري ضبط نسبة وقود الهواء π إلى النسبة المتكافئة من 1415 إلى 1416، بحيث يمكن للمحفز أن يؤدي وظيفته التنقية على أكمل وجه. CeO2 هو أكسيد تكافؤ متغير (Ce4 + ΠCe3 +)، والذي يتمتع بخصائص أشباه الموصلات من النوع N، ولديه قدرة ممتازة على تخزين الأكسجين وإطلاقه. عندما تتغير نسبة Aπ F، يمكن أن يلعب CeO2 دورًا ممتازًا في ضبط نسبة الهواء إلى الوقود ديناميكيًا. أي أنه يتم إطلاق O2 عندما يكون الوقود فائضًا للمساعدة في أكسدة ثاني أكسيد الكربون والهيدروكربون. في حالة وجود فائض من الهواء، يلعب CeO2-x دور الاختزال ويتفاعل مع NOx لإزالة NOx من غاز العادم للحصول على CeO2.

٣. تأثير العامل المساعد: عند تساوي نسبة خليط aπ f، بالإضافة إلى تفاعل أكسدة H2 وCO وHC واختزال NOx، يمكن لـ CeO2 كعامل مساعد تسريع هجرة غاز الماء وتفاعل الإصلاح البخاري وتقليل محتوى CO وHC. يمكن لـ La2O3 تحسين معدل التحويل في تفاعل هجرة غاز الماء وتفاعل الإصلاح البخاري للهيدروكربون. الهيدروجين الناتج مفيد لاختزال NOx. عند إضافة La2O3 إلى Pd/CeO2 -γ-Al2O3 لتحلل الميثانول، وُجد أن إضافة La2O3 تمنع تكوين ثنائي ميثيل الإيثر الناتج الثانوي وتحسن النشاط التحفيزي للعامل المساعد. عندما يكون محتوى La2O3 ١٠٪، يكون للعامل المساعد نشاط جيد ويصل تحويل الميثانول إلى أقصى حد (حوالي ٩١.٤٪). يوضح هذا أن La2O3 يتمتع بتشتت جيد على الناقل γ-Al2O3. وعلاوة على ذلك، فقد عزز تشتت CeO2 على الناقل γ2Al2O3 وتقليل الأكسجين السائب، وحسّن تشتت البالاديوم بشكل أكبر وعزز التفاعل بين البالاديوم وCeO2، وبالتالي تحسين النشاط التحفيزي للحافز لتحلل الميثانول.

وفقا لخصائص حماية البيئة الحالية وعملية استخدام الطاقة الجديدة، ينبغي للصين تطوير مواد حفازة عالية الأداء من العناصر الأرضية النادرة مع حقوق الملكية الفكرية المستقلة، وتحقيق الاستخدام الفعال لموارد العناصر الأرضية النادرة، وتعزيز الابتكار التكنولوجي للمواد الحفازة من العناصر الأرضية النادرة، وتحقيق قفزة إلى الأمام في تطوير التجمعات الصناعية ذات التقنية العالية ذات الصلة مثل العناصر الأرضية النادرة والبيئة والطاقة الجديدة.

في الوقت الحاضر، تشمل المنتجات التي توفرها الشركة نانو زركونيا، نانو تيتانيا، نانو أكسيد الألومنيوم، نانو أكسيد الزنك، نانو أكسيد السيليكون، نانو أكسيد المغنيسيوم، نانو هيدروكسيد المغنيسيوم، نانو أكسيد النحاس، نانو أكسيد الإيتريوم، نانو أكسيد السيريوم، نانو أكسيد اللانثانوم، نانو أكسيد التنغستن ثلاثي أكسيد، نانو أكسيد الفيروفيريك، نانو عامل مضاد للبكتيريا والجرافين. جودة المنتج مستقرة، وقد تم شراؤها على دفعات من قبل الشركات المتعددة الجنسيات.

هاتف: 86-021-20970332, Email:sales@shxlchem.com