周知のとおり、中国の希土類鉱物は主に軽希土類元素で構成されており、そのうちランタンとセリウムが60%以上を占めています。中国では希土類永久磁石材料、希土類発光材料、希土類研磨粉、冶金産業における希土類が年々拡大しており、国内市場における中・重希土類の需要も急速に増加しています。これにより、Ce、La、Prなどの高存在比の軽希土類元素が大量に滞留し、中国における希土類資源の開発と応用の間に深刻な不均衡が生じています。軽希土類元素は、その独特の4f電子殻構造により、化学反応プロセスにおいて優れた触媒性能と効能を示すことが分かっています。そのため、軽希土類を触媒材料として使用することは、希土類資源を総合的に活用する良い方法です。触媒とは、化学反応を促進でき、反応前後で消費されない物質です。希土類触媒の基礎研究を強化することで、生産効率が向上するだけでなく、資源とエネルギーを節約し、環境汚染を軽減することができ、持続可能な開発の戦略的方向と一致します。
希土類元素が触媒活性を持つのはなぜですか?
希土類元素は特殊な外殻電子構造（4f）を有し、錯体の中心原子として機能し、6から12までの様々な配位数を持ちます。希土類元素の配位数の多様性は、それらの「残留原子価」を決定します。4fは結合能を持つ7つの予備価電子軌道を持つため、「予備化学結合」または「残留原子価」の役割を果たします。この能力は正式な触媒に不可欠です。そのため、希土類元素は触媒活性を有するだけでなく、添加剤や助触媒として触媒の触媒性能、特に耐老化性や耐被毒性を向上させることができます。
現在、自動車排ガス処理におけるナノセリウム酸化物とナノランタン酸化物の役割が新たな焦点となっている。
自動車排ガス中の有害成分は主にCO、HC、NOxなどです。希土類自動車排ガス浄化触媒に用いられる希土類は、主に酸化セリウム、酸化プラセオジム、酸化ランタンの混合物です。希土類自動車排ガス浄化触媒は、希土類とコバルト、マンガン、鉛の複合酸化物から構成され、ペロブスカイト型、スピネル型、構造を持つ三元触媒の一種で、酸化セリウムを主成分としています。酸化セリウムの酸化還元特性により、排ガス中の成分を効果的に抑制することができます。
自動車排ガス浄化触媒は、主にハニカムセラミック（または金属）担体と表面活性コーティングで構成されています。活性コーティングは、大面積のγ-Al2O3、表面積を安定化させる適量の酸化物、およびコーティング中に分散した触媒活性金属で構成されています。高価なPtとRHの消費量を削減し、より安価なPdの消費量を増やして触媒コストを削減するために、自動車排ガス浄化触媒の性能を低下させないことを前提に、一般的に使用されているPt-Pd-Rh三元触媒の活性コーティングに一定量のCeO2とLa2O3が添加され、優れた触媒効果を持つ希土類貴金属三元触媒が形成されます。La2O3（UG-LaO1）とCeO2は、γ-Al2O3担持貴金属触媒の性能を向上させるための助触媒として使用されています。研究によると、CeO2、貴金属触媒におけるLa2O3の主なメカニズムは次のとおりです。
1. CeO2を添加して活性コーティング中に分散した貴金属粒子を維持し、焼結による触媒格子点の減少と活性の損傷を回避することにより、活性コーティングの触媒活性を向上させる。 Pt / γ-Al2O3にCeO2（UG-Ce01）を添加すると、γ-Al2O3上に単層で分散することができ（単層分散の最大量は0.035g CeO2 / g γ-Al2O3）、これによりγ-Al2O3の表面特性が変わり、Ptの分散度が向上する。 CeO2含有量が分散閾値と等しいかそれに近い場合、Ptの分散度は最高に達する。 CeO2の分散閾値は、CeO2の最適な投与量である。 600℃を超える酸化雰囲気では、Rh2O3とAl2O3の間に固溶体が形成されるため、Rhは活性を失う。 CeO2の存在はRhとAl2O3の反応を弱め、Rhの活性を維持します。La2O3(UG-LaO1)はPt超微粒子の成長も抑制します。Pd/γ2Al2O3にCeO2とLa2O3(UG-LaO1)を添加したところ、CeO2の添加が担体上へのPdの分散を促進し、相乗的な還元効果をもたらすことが分かりました。Pd/γ2Al2O3上におけるPdの高い分散性とCeO2との相互作用が、触媒の高活性の鍵となっています。
2. 自動調整空燃比（aπf）自動車の始動温度が上昇したり、運転モードや速度が変わったりすると、排気流量や排気ガスの組成が変化し、自動車排ガス浄化触媒の作動条件が絶えず変化し、触媒性能に影響を与えます。触媒が浄化機能を十分に発揮できるように、空気のπ燃料比を1415～1416の化学量論比に調整する必要があります。CeO2は可変原子価酸化物（Ce4+ΠCe3+）であり、N型半導体の特性を持ち、優れた酸素吸蔵・放出能力を備えています。AπF比が変化すると、CeO2は空燃比を動的に調整する優れた役割を果たすことができます。つまり、燃料が余剰になるとO2が放出され、COと炭化水素の酸化を助けます。空気が過剰になると、CeO2-xは還元作用を発揮し、NOxと反応して排ガスからNOxを除去し、CeO2を生成します。
3. 助触媒の効果 aπf の混合物が化学量論比にある場合、H2、CO、HC の酸化反応と NOx の還元反応以外に、助触媒としての CeO2 は水性ガス移行と水蒸気改質反応を促進し、CO と HC の含有量を減らすこともできます。 La2O3 は水性ガス移行反応と炭化水素水蒸気改質反応の変換率を向上させることができます。発生した水素は NOx の削減に有益です。 メタノール分解のために Pd/CeO2 -γ-Al2O3 に La2O3 を添加すると、La2O3 の添加により副産物のジメチルエーテルの生成が抑制され、触媒の触媒活性が向上することがわかりました。 La2O3 の含有量が 10% のとき、触媒は良好な活性を示し、メタノール変換率は最大（約 91.4%）に達します。これは、La2O3がγ-Al2O3担体上で良好な分散性を示すことを示しています。さらに、γ2Al2O3担体上でのCeO2の分散とバルク酸素の減少を促進し、Pdの分散をさらに改善し、PdとCeO2間の相互作用をさらに強化し、メタノール分解触媒の触媒活性を向上させました。
中国は、現在の環境保護と新エネルギー利用プロセスの特徴に応じて、自主的な知的財産権を持つ高性能希土類触媒材料を開発し、希土類資源の有効利用を実現し、希土類触媒材料の技術革新を促進し、希土類、環境、新エネルギーなどの関連ハイテク産業クラスターの飛躍的な発展を実現する必要がある。
現在、同社が供給する製品には、ナノジルコニア、ナノチタニア、ナノアルミナ、ナノ水酸化アルミニウム、ナノ酸化亜鉛、ナノ酸化ケイ素、ナノ酸化マグネシウム、ナノ水酸化マグネシウム、ナノ酸化銅、ナノ酸化イットリウム、ナノ酸化セリウム、ナノ酸化ランタン、ナノ三酸化タングステン、ナノ酸化鉄、ナノ抗菌剤、グラフェンなどがあり、製品の品質は安定しており、多国籍企業に一括購入されています。
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投稿日時: 2022年7月4日