通过相间生长的铈-氧化锆-氧化铝混合氧化物增强的氧化还原对的协同作用：一种用于柴油尾气净化的高效三相催化剂

《Environmental Technology & Innovation》：The Synergistic Performance of Redox Couples Enhanced with Phase Inter-Grown Ceria-Zirconia-Alumina Mixed Oxides: A Robust Three-Way Catalyst for Diesel Exhaust Abatement

采用共沉淀法制备了CeO2-ZrO2/Al2O3催化剂，通过XRD、Raman、HRTEM等手段表征其混合立方-四方晶相及高比表面积（91.2 m2/g），发现Ce/Zr=50:50的CZA-55样品因Ce3?-Ov-Zr??协同作用，在柴油发动机催化器中显著降低CO（>50%）、HC（>30%）、NOx及烟尘排放，且制备成本低、工艺简单，适合规模化应用。

　　
该研究聚焦于开发一种经济高效的CeO?-ZrO?/Al?O?催化剂，用于柴油发动机尾气处理。研究团队通过共沉淀法制备了不同Ce/Zr比例的催化剂，并对其结构和性能进行了系统表征。实验表明，当Ce/Zr比例为1:1时（即CZA-55样品），催化剂展现出最佳的催化活性与机械稳定性。

**制备方法与材料特性**
研究采用共沉淀法合成CeO?-ZrO?纳米颗粒，随后与25%质量比的Al?O?机械混合。样品经500℃煅烧5小时，形成多相结构（立方相与四方相混合）。XRD分析显示，低Ce含量样品（CZA-28）以四方相ZrO?为主，高Ce含量样品（CZA-82）则呈现立方相CeO?主导的特征。Raman光谱进一步证实CZA-55中存在混合相结构，其特征峰（465 cm?1和259-302 cm?1）对应立方相CeO?与四方相ZrO?的协同作用。这种多相结构通过Zr??取代Ce??，导致氧亚晶格畸变，从而增强氧离子扩散能力。

**微观结构与化学特性**
HRTEM显示CZA-55样品具有 worm-like mesoporous结构，晶粒尺寸约15 nm，且Al?O?均匀分散在Ce-Zr氧化物表面。BET分析表明该样品比表面积为91.2 m2/g，孔径集中在2.12 nm，符合柴油尾气中颗粒物吸附的理想孔径分布。XPS分析揭示Ce3?含量达16.33%，同时检测到氧空位（O_v）和表面羟基（-OH），这些缺陷位点被认为是催化反应的关键活性中心。

**催化性能评估**
在Field Marshal柴油发动机测试中，CZA-55样品在最大负载（75%）下实现显著减排：CO去除率超过50%，HC减排30%，NOx完全转化，烟尘排放降低68%。机理分析表明，Ce3?-O_v-Zr??协同体系通过Mars-Van Krevelen机制促进还原反应。氧空位在催化过程中起到双重作用：一方面作为氧源促进CO和HC氧化，另一方面通过Ce3?/Ce??循环实现氧再供给。

**机械稳定性与商业化潜力**
纳米压痕测试显示CZA-55涂层硬度7.4 GPa，弹性模量137 GPa，经450℃热老化后仍保持90%以上性能。相比传统钯基催化剂（硬度>20 GPa，弹性模量>200 GPa），该材料在机械强度与催化活性间取得平衡。研究团队开发了基于激光切割不锈钢基板的低成本涂层技术，通过M-seal和环氧树脂混合固化工艺，解决了传统陶瓷载体的高成本问题。

**工业化挑战与未来方向**
当前研究未涉及长期运行稳定性测试，且未验证在真实路谱下的持续减排效果。后续工作计划包括：1）开发原位表征技术（如O?-TPD）验证氧空位动态再生过程；2）优化涂层工艺（如热等静压处理）提升抗积碳能力；3）建立多工况数据库（包括急加速/制动工况）以评估实际应用效果。此外，研究团队正探索将催化剂应用于货运卡车和工程机械的改造方案，计划2025年完成中试生产。

该研究突破传统催化转化器依赖贵金属的局限，通过调控Ce-Zr-Al三元体系的晶体结构缺陷，实现了高效低成本的尾气净化方案。实验数据表明，CZA-55催化剂在载流量达75%时仍能保持85%以上的NOx去除效率，其活性表现优于多数文献报道的Ce基催化剂（如Aneggi等，2006；Wu等，2013）。该成果为发展中国家柴油车污染控制提供了经济可行的技术路径，特别适用于配备老式柴油发动机的货运车辆改造。