稀土催化材料的制备及应用

存档编号

赣南师范学院学士学位论文

稀土催化材料的制备及

应用

教学学院物理与电子信息学院

届别 2012届

专业物理学

学号 080800046

姓名周建平

指导教师张宪科

完成日期 2012年5月

目录

摘要 (1)

关键词 (1)

Abstract (1)

Key words (1)

1引言 (2)

2 稀土催化材料的种 (2)

3 稀土催化催化材料的制备 (3)

3.1 机械混合法 (4)

3.2 共沉淀法 (4)

3.3 溶胶-凝胶法 (6)

3.4 微乳液法 (7)

3.5 水热合成法 (8)

3.6 几种制备方法的比较 (8)

4稀土催化材料的应用 (9)

4.1 汽车尾气净化 (9)

4.2 在工业废气、人居环境净化中的应用 (11)

4.3催化燃烧 (14)

4.4 燃料电池 (17)

4.5 石油化工催化剂 (17)

5 前景展望 (18)

参考文献 (20)

致谢 (23)

摘要：轻稀土元素由于其独特的4f电子层结构, 使其在化学反应过程中表现出良好的助催化性能与功效。本文主要综述了几种主要稀土催化材料的性能、特点以及制备方法，对稀土催化材料在涉及能源、环境保护和其他领域中几个重要过程中的应用和发展现状进行评述，并就稀土催化材料研究中存在的问题和稀土催化材料的发展进行了思考和展望。

关键词：稀土催化材料钙钛矿分子筛铈基

Abstract：The light rare-earth elements due to their unique 4f electron shell structure, in the chemical reaction process show good performance and effectiveness of catalysis. This paper reviews the performance of several rare-earth catalytic materials, characteristics and preparation methods. The rare-earth catalytic materials is also reviewed in relation to the application and development status of several important process in the energy, environmental protection and other areas, and the problems in rare-earth catalytic materials’study and the development of rare-earth catalytic materials are thought and outlooked.

Key words：Rare-earth Catalytic Materials Perovskite Molecular sieve Cerium-based

1 引言

我国是稀土大国，稀土的储量和产量均为世界第一，但我国的稀土消费量只占世界总量的约1/4，可见我国主要以稀土原料出口，是世界上最大的稀土原料供应国。同时我国还存在稀土利用的不平衡，随着我国稀土永磁、冶金、荧光粉等产量的增加，中重稀土和钕的消费量大幅增加，导致高丰度的元素铈、镧等大量积压。镧、铈等轻稀土目前的主要应用领域是用作催化材料。美国稀土催化材料约占稀土总用量的57. 6%，而我国稀土在催化材料中的用量只有8. 5% 左右( 国内统计为17%) [ 1、2]。因此，围绕国家能源结构调整、整治大气污染和稀土资源高效利用的重大需求，开展稀土催化材料制备科学及应用基础研究，对于解决我国稀土材料供需严重失衡，实现稀土资源全面和高效利用，推进新能源的利用和环境保护技术的科学进步具有重大的科学和社会意义。

稀土元素具有未充满电子的4f 轨道和镧系收缩等特征，表现出独特化学性能，作为催化剂，已在许多重要的化学过程中得到广泛应用。到目前为止，稀土催化材料已在机动车尾气净化、石油化工、燃料电池、催化燃烧以及石油化工催化等诸多能源环境领域得到研发和应用。

本文主要综述了几种主要稀土催化材料的性能、特点以及制备方法，对稀土催化材料在涉及能源、环境保护和其他领域中几个重要过程中的应用和发展现状进行评述，并就稀土催化材料研究中存在的问题和稀土催化材料的发展进行了思考和展望。

2 稀土催化材料的种类

研究发现，轻稀土元素由于其独特的4f电子层结构，使其在化学反应过程中表现出良好的助催化性能与功效。因此，将轻稀土用作催

化材料是一条很好的稀土资源综合利用出路。催化剂是一种能够加速化学反应，且在反应前后自身不被消耗的物质，加强稀土催化的基础研究既提高生产效率，又节约资源和能源，减少环境污染，符合可持续发展的战略方向。

目前，能够在工业中获得应用的稀土催化材料主要有3类，包括分子筛稀土催化材料、稀土钙钛矿催化材料、以及铈锆固溶体催化材料等。其中分子筛稀土催化材料又可细分为中孔、微孔、介孔、以及纳孔稀土催化材料等几大类，且目前主要用于炼油催化剂。稀土钙钛矿催化材料[3]由于其制备简单、耐高温、抗中毒等性能优越，目前主要用作环保催化剂，也广泛用于光催化分解水制氢、以及石油化工行业的碳氢化合物重整反应等方面。目前已开发并应用的主要有钙钛矿型稀土复合氧化物催化剂、以及掺杂微量贵金属的稀土钙钛矿型催化剂等[4~7]。铈锆固溶体催化材料是应汽车尾气净化市场的需求发展起来的一种稀土催化材料。早期主要利用铈的储氧性能来调节汽车尾气中的氧化还原反应。后来发现单一的铈储氧材料其持久性耐高温性能并不能满足日益发展的汽车尾气催化剂的寿命要求，而添加一些锆可明显改善储氧材料的抗高温性能，从而改善催化剂的耐久性。目前，铈锆固溶体催化材料不仅用于石油化工领域的各种催化过程，也广泛用于汽车尾气净化、以及其它环保领域。

3 稀土催化材料的制备

稀土催化材料作为一种研究和应用前景非常好的材料，不同的材料有不同的制备方法，各种材料的制备方法也很多。下面介绍几种主要稀土催化材料的制备方法，以及各种制备方法的优缺点。

大量研究结果表明，金属复合氧化物的物理化学性质除了与金属