利用NiCo2O4中的纳米颗粒，减少发动机氮氧化物NO2的排放

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前言

氮氧化物（NO和NO2）是大气中重要的污染源之一，它们对环境的主要影响包括光化学烟雾、温室效应和臭氧层破坏，而对人类健康的最严重影响是呼吸道疾病。

经过我们的调查发现，约40%的氮氧化物排放来自道路交通，而柴油动力汽车占了85%，如今车商面临的情况，是不牺牲发动机性能的情况下，尽量减少柴油发动机的氮氧化物的排放。

我们调查发现，选择催化还原（SCR）是减少氮氧化物排放的常用技术，只要通过在SCR系统中添加还原剂和催化剂，可以显著减少柴油发动机产生的NOx排放，减少NOx排放最常用的还原剂和催化剂是氨（NH3）和V2O5-WO3/TiO2。

我们发现在低于250°C的低排气温度下，转化效率仍然较低，而NH3在排气管道和催化剂表面积累，这种现象被称为氨滑移，对SCR转化效率产生重大不利影响，并可能导致催化剂退化。

我们在本研究中，所使用的催化剂能够在低于ABS报告温度的低温下减少NOx，而无需外部还原剂，本研究选择了NiCo2O4作为优选催化剂，因为它在低排气温度下具有高活性，在环境方面优于传统催化剂的毒性效应，并在NOx减少方面表现出色，使用NiCo2O4作为催化剂，研究了两种不同发动机在不同负载条件下的NOx转化效率。

这是一种成本效益高、实际可行的选择，可以快速在工业中实施，该催化剂在低温下运行，不使用外部还原剂，从而减少了额外的燃料开支和二氧化碳排放，它能在经济和环境方面带来了巨大的益处。

材料和方法

我们采用聚合物前驱体技术制备了NiCo2O4，起始组分包括硝酸镍（Ni(NO3)2·6H2O）、硝酸钴（Co(NO3)2·6H2O）和壳聚糖，按原比例使用，将14.5克硝酸钴和7克硝酸镍溶解在蒸馏水中，并连续搅拌20分钟。

搅拌完成后，我们加入5%壳聚糖溶液，不断搅拌混合物，在80°C恒温搅拌直到形成凝胶，然后以每分钟5°C的速率在80°C下加热4小时，生成黑色粉末，黑色粉末在玛瑙砂研钵中研磨，并在空气环境中于300°C、500°C、700°C和900°C下煅烧6小时。

我们合成纳米的过程离不开选择发动机的选型，我们选择了双缸柴油发动机、三缸汽油发动机进行排放测试，双缸柴油发动机是一种恒定转速的定置式发动机，可在不同负载条件下进行测试，在不同负载条件下记录各种排放物如HC、CO、NOx、CO2和O2。

我们为了制作SCR系统，将蜂窝结构引入，并使用聚乙烯醇（PVA）浆料溶液将合成的催化剂（镍钴氧化物NiCo2O4）涂覆在其中，然后将蜂窝结构焊接在圆柱形金属的边缘上。

我们的实验装置由专门设计的排气系统和可在各种负载下运行的发电机马达组成，在不同负载（0 kW、4 kW、8 kW和12 kW，使用两种不同的发动机）下进行实验，选择了双缸柴油发动机和三缸汽油发动机，转速为1500 rpm进行制备的SCR系统测试，我们在测试中确定了NOx转化率，以评估在低温度下的催化剂性能。

我们采用X射线衍射（XRD）仪器进行结晶结构和产物相纯度的测定，使用Cu-Kα（λ= 1:5418 ˚A）辐射在室温下进行10到80°C的范围内的扫描，使用扫描电子显微镜（SEM）（FEI QUANTA FEG 200 HR）和傅立叶变换红外光谱。

我们研究样品的形态和形态学，我们将制备的催化转化器与不同负载放置在排放分析仪上进行测试，制作基准读数和最终读数的图表，从中可以确定NOx减少百分比和其他排放物的减少。

光谱显示的结果

我们观察发现，NiCo2O4尖晶石的光谱显示了两个分离的锐利峰，在550到650 cm-1的区域内，这两个峰表示了金属氧化物尖晶石中的金属-氧键的存在，571 cm-1的波峰被归属于Ni–O键的拉伸振动，而664 cm-1的波峰被归属于Co–O键的拉伸振动。

我们合成的样品的XRD图样被标定为尖晶石NiCo2O4，实验过程中未发现其他与NiO或CoO对应的峰，这表明了NiCo2O4的生成。

我们经过分析得知，燃烧温度对氮氧化物的产生有很大影响，在高负载和高燃烧温度下，产生的NOx最高，所以当发动机处于最大负载时，燃烧温度达到较高，高负载比低负载产生更多的NOx，温度是在较高负载下实现最高NOx还原的关键因素。

我们在双缸柴油发动机同时启动的情况下，发动机转速固定为1500 rpm，但负载从0到12 kW变化，SCR催化剂处理前后的NOx排放情况，经过处理后的NiCo2O4改性SCR在不使用外部还原剂的情况下显示出明显的NOx减少。

我们发现在不同负载条件下，催化剂NiCo2O4显示出优越的NOx转化率，尤其在12 kW负载条件下，HC，CO和CO2的总体转化率受到负载影响。

如果SCR催化转化器的温度在120°C和200°C之间，可以实现最高效的NOx还原，那么催化剂NiCo2O4的表面活性位点，由于我们合成的纳米镍钴氧化物在催化剂表面具有更多的氧空位，导致在低温下实现了NOx还原。

由于表面活性位点突出，我们的催化剂在低温下显示出良好的氮氧化物还原性能，在不同负载下使用和不使用SCR催化剂时NOx的减少。

我们观察到类似的情况，当同样的SCR催化剂在汽油发动机中进行检测时，采用s-presso GDI汽油发动机研究了SCR催化剂（合成的镍钴氧化物）的效能，发动机转速为1500 rpm，但负载从0到16 kg变化。

当负载发生变化时，NOx还原在250到320°C的较低温度时最大，与柴油发动机研究类似，HC，CO和CO2也显著减少，这进一步证实了镍钴氧化物催化剂NiCo2O4具有较低温度下有强还原性的特点。

由于NOx是许多环境问题的关键污染物，即使其他污染物在两种发动机上也有显著减少，我们的重点仍然是NOx的减少，催化剂在没有H2的情况下减少NOx的能力可能是由于Ni3+/Ni2+（0.58 V/0.49 V）和Co3+/Co2+（0.53 V/0.51 V）的氧化还原对以及富含氧空位的NiCo2O4纳米颗粒，增强了催化剂的反应性和活性位点的数量。

我们对催化剂NiCo2O4的性质进行了多种表征手段的研究，傅里叶变换红外光谱（FTIR）显示了NiCo2O4样品中有金属-氧键的存在，其中分别对应着Ni–O键和Co–O键的拉伸振动峰，X射线衍射（XRD）分析确认了合成样品为纯相NiCo2O4的尖晶石结构，且未发现其它与NiO或CoO相对应的峰，扫描电子显微镜（SEM）观察发现，合成的NiCo2O4呈现出六角形状的纳米结构。

我们针对NOx还原性能的展开分析得知，高燃烧温度和高负载条件下，发动机产生的NOx最多，而在低负载条件下，催化剂NiCo2O4表现出较高的NOx转化率。

我们在柴油发动机和汽油发动机实验中，NiCo2O4都表现出优异的NOx还原性能，尤其在较低温度下（120°C至200°C），NiCo2O4催化剂具有最高的NOx还原效率。

我们发现这是由于在NiCo2O4催化剂表面，合成的纳米镍钴氧化物具有丰富的氧空位和表面活性位点，除了NOx的减少，对HC、CO和CO2等污染物也得到了显著的降低。

我们的这些研究结果表明，使用NiCo2O4作为催化剂具有潜力用于降低发动机尾气中的NOx排放，因为NiCo2O4催化剂具有良好的还原性能，在较低的温度下就能高效地还原NOx，其优异的催化性能主要归因于催化剂中的氧空位和活性位点。

我们对催化剂制备条件和工作机理的深入理解，将有助于进一步优化NiCo2O4催化剂的性能，并推动其在环境保护和车辆尾气控制领域的应用。

催化剂的还原能力与其中的氧化态和还原态之间的可逆氧化还原（redox）反应有关，在NiCo2O4催化剂中，Ni和Co离子分别存在着Ni3+/Ni2+和Co3+/Co2+的氧化态和还原态耦合，通过这些氧化还原对和催化剂表面具有丰富氧空位的NiCo2O4纳米颗粒，催化剂的反应活性和活性位点数目得到了增强，从而提高了对NOx的还原能力。

我们分析得知，催化剂表面活性位点的存在也对NOx还原起到了关键作用，纳米镍钴氧化物NiCo2O4具有丰富的表面活性位点，这些位点能够提供活性吸附位，使得反应物分子（如NO和还原剂）能够与催化剂有效接触，从而促进了NOx的还原反应。

我们通过增强催化剂的反应活性，发现催化剂NiCo2O4能够在较低的温度下就实现高效的NOx还原，这对于发动机尾气的处理非常重要，因为较低的工作温度可以提高系统的能效，并减少二次污染物的生成。

结论

我们通过尖晶石催化剂NiCo2O4成功合成，并在氧化铝多孔体上制备，用于NOx还原研究。

我们的团队选择了两种类型的发动机，并对NOx还原效率进行了研究，在研究中，我们未添加外部还原剂，同时在较低温度下达到了最大还原效果。

根据我们的实验结果分析，这是由于纳米尖晶石NiCo2O4的表面活性中心及其形态所致，后来经过在CNG汽车上长时间运行后的进一步研究，现在我们可以建议使用经济实惠、高活性和热稳定性的尖晶石催化剂NiCo2O4作为在排放管理中替代贵金属的选择。

参考文献

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