Como es bien sabido, los minerales de tierras raras en China se componen principalmente de tierras raras ligeras, de las cuales el lantano y el cerio representan más del 60%. Con la expansión anual de materiales de imanes permanentes, materiales luminiscentes, polvos de pulido y tierras raras en la industria metalúrgica china, la demanda de tierras raras medianas y pesadas en el mercado nacional también aumenta rápidamente. Esto ha provocado una gran acumulación de tierras raras ligeras de alta abundancia, como Ce, La y Pr, lo que genera un grave desequilibrio entre la explotación y la aplicación de los recursos de tierras raras en China. Se ha comprobado que las tierras raras ligeras muestran un buen rendimiento y eficacia catalítica en las reacciones químicas gracias a su singular estructura de capa electrónica 4f. Por lo tanto, el uso de tierras raras ligeras como material catalítico es una buena manera de aprovechar al máximo los recursos de tierras raras. El catalizador es una sustancia que acelera las reacciones químicas y no se consume antes ni después de ellas. El fortalecimiento de la investigación básica de la catálisis de tierras raras no sólo puede mejorar la eficiencia de la producción, sino también ahorrar recursos y energía y reducir la contaminación ambiental, lo que está en línea con la dirección estratégica del desarrollo sostenible.
¿Por qué los elementos de tierras raras tienen actividad catalítica?
Los elementos de tierras raras poseen una estructura electrónica externa especial (4f), que actúa como el átomo central del complejo y presenta diversos números de coordinación, entre 6 y 12. La variabilidad de su número de coordinación determina su valencia residual. Dado que 4f posee siete orbitales electrónicos de valencia de respaldo con capacidad de enlace, desempeña la función de enlace químico de respaldo o valencia residual. Esta capacidad es necesaria para un catalizador formal. Por lo tanto, los elementos de tierras raras no solo poseen actividad catalítica, sino que también pueden utilizarse como aditivos o cocatalizadores para mejorar el rendimiento catalítico de los catalizadores, especialmente su capacidad antienvejecimiento y antienvenenamiento.
En la actualidad, el papel del nano óxido de cerio y del nano óxido de lantano en el tratamiento de los gases de escape de los automóviles se ha convertido en un nuevo foco.
Los componentes nocivos en los gases de escape de los automóviles incluyen principalmente CO, HC y NOx. La tierra rara utilizada en el catalizador de purificación de gases de escape de automóviles es principalmente una mezcla de óxido de cerio, óxido de praseodimio y óxido de lantano. Este catalizador está compuesto por óxidos complejos de tierras raras, cobalto, manganeso y plomo. Es un catalizador ternario con estructura de perovskita y tipo espinela, donde el óxido de cerio es el componente clave. Gracias a las propiedades redox del óxido de cerio, los componentes de los gases de escape se pueden controlar eficazmente.
El catalizador para la purificación de gases de escape de automóviles se compone principalmente de un soporte cerámico (o metálico) en forma de panal y un recubrimiento activado superficialmente. Este recubrimiento activado se compone de γ-Al₂O₃ de gran superficie, una cantidad adecuada de óxido para estabilizar la superficie y un metal catalíticamente activo disperso en el recubrimiento. Para reducir el consumo de PT y RH, de alto coste, aumentar el consumo de Pd, más económico, y reducir el coste del catalizador, con la premisa de no reducir el rendimiento del catalizador para la purificación de gases de escape de automóviles, se suele añadir una cierta cantidad de CeO₂ y La₂O₃ al recubrimiento activador del catalizador ternario Pt-Pd-Rh, de uso común, para formar un catalizador ternario de tierras raras con un excelente efecto catalítico. La₂O₃(UG-LaO₁) y CeO₂ se utilizaron como promotores para mejorar el rendimiento de los catalizadores de metales nobles soportados en γ-Al₂O₃. Según investigaciones, el principal mecanismo del CeO₂, La₂O₃ en los catalizadores de metales nobles, es el siguiente:
1. Mejorar la actividad catalítica del recubrimiento activo añadiendo CeO₂ para mantener las partículas de metal precioso dispersas en él, evitando así la reducción de los puntos de la red catalítica y el deterioro de la actividad causados por la sinterización. La adición de CeO₂(UG-CeO₁) a Pt/γ-Al₂O₃ permite dispersar el γ-Al₂O₃ en una sola capa (la cantidad máxima de dispersión en una sola capa es de 0,035 g de CeO₂/g de γ-Al₂O₃), lo que modifica las propiedades superficiales del γ-Al₂O₃ y mejora el grado de dispersión del Pt. Cuando el contenido de CeO₂ es igual o cercano al umbral de dispersión, el grado de dispersión del Pt alcanza su nivel máximo. El umbral de dispersión del CeO₂ es la dosis óptima de CeO₂. En atmósferas de oxidación superiores a 600 ℃, el Rh pierde su activación debido a la formación de una solución sólida entre el Rh₂O₃ y el Al₂O₃. La presencia de CeO₂ debilita la reacción entre Rh y Al₂O₃ y mantiene la activación de Rh. El La₂O₃(UG-LaO₃) también puede prevenir el crecimiento de partículas ultrafinas de Pt. Al añadir CeO₂ y La₂O₃(UG-LaO₃) a Pd/γ₂Al₂O₃, se observó que la adición de CeO₂ promovía la dispersión de Pd en el soporte y producía una reducción sinérgica. La alta dispersión de Pd y su interacción con CeO₂ en Pd/γ₂Al₂O₃ son la clave de la alta actividad del catalizador.
2. Relación aire-combustible autoajustada (aπ f) Cuando la temperatura de arranque del automóvil aumenta, o cuando el modo de conducción y la velocidad cambian, el caudal de escape y la composición de los gases de escape cambian, lo que hace que las condiciones de trabajo del catalizador de purificación de gases de escape del automóvil cambien constantemente y afecten su rendimiento catalítico. Es necesario ajustar la relación π combustible del aire a la relación estequiométrica de 1415~1416, para que el catalizador pueda dar rienda suelta a su función de purificación. CeO2 es un óxido de valencia variable (Ce4 + ΠCe3+), que tiene las propiedades de semiconductor tipo N y una excelente capacidad de almacenamiento y liberación de oxígeno. Cuando cambia la relación A π F, CeO2 puede desempeñar un papel excelente en el ajuste dinámico de la relación aire-combustible. Es decir, se libera O2 cuando el combustible es excedente para ayudar a oxidar el CO y los hidrocarburos; En caso de exceso de aire, CeO2-x desempeña un papel reductor y reacciona con el NOx para eliminar el NOx del gas de escape y obtener CeO2.
3. Efecto del cocatalizador Cuando la mezcla de aπ f está en una relación estequiométrica, además de la reacción de oxidación de H2, CO, HC y la reacción de reducción de NOx, CeO2 como cocatalizador también puede acelerar la migración de gas de agua y la reacción de reformado con vapor y reducir el contenido de CO y HC. La2O3 puede mejorar la tasa de conversión en la reacción de migración de gas de agua y la reacción de reformado con vapor de hidrocarburos. El hidrógeno generado es beneficioso para la reducción de NOx. Añadiendo La2O3 a Pd/CeO2 -γ-Al2O3 para la descomposición del metanol, se encontró que la adición de La2O3 inhibió la formación del subproducto éter dimetílico y mejoró la actividad catalítica del catalizador. Cuando el contenido de La2O3 es del 10%, el catalizador tiene buena actividad y la conversión de metanol alcanza el máximo (aproximadamente 91,4%). Esto demuestra que La2O3 tiene una buena dispersión en el portador γ-Al2O3. Además, promovió la dispersión de CeO2 en el portador γ2Al2O3 y la reducción del oxígeno a granel, mejoró aún más la dispersión de Pd y mejoró aún más la interacción entre Pd y CeO2, mejorando así la actividad catalítica del catalizador para la descomposición del metanol.
De acuerdo con las características del actual proceso de protección ambiental y utilización de nuevas energías, China debe desarrollar materiales catalíticos de tierras raras de alto rendimiento con derechos de propiedad intelectual independientes, lograr una utilización eficiente de los recursos de tierras raras, promover la innovación tecnológica de los materiales catalíticos de tierras raras y realizar un desarrollo avanzado de los clústeres industriales de alta tecnología relacionados, como las tierras raras, el medio ambiente y las nuevas energías.
En la actualidad, los productos suministrados por la empresa incluyen nano zirconia, nano titania, nano alúmina, nano hidróxido de aluminio, nano óxido de zinc, nano óxido de silicio, nano óxido de magnesio, nano hidróxido de magnesio, nano óxido de cobre, nano óxido de itrio, nano óxido de cerio, nano óxido de lantano, nano trióxido de tungsteno, nano óxido ferroférrico, nano agente antibacteriano y grafeno. La calidad del producto es estable y ha sido comprado en lotes por empresas multinacionales.
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Hora de publicación: 04-jul-2022