Comme chacun sait, les terres rares en Chine sont principalement composées de terres rares légères, dont le lanthane et le cérium représentent plus de 60 %. Avec l'essor des aimants permanents à base de terres rares, des matériaux luminescents à base de terres rares, des poudres de polissage à base de terres rares et des terres rares dans l'industrie métallurgique chinoise, la demande intérieure en terres rares moyennes et lourdes augmente rapidement. Cela a entraîné un important arriéré de terres rares légères abondantes telles que Ce, La et Pr, ce qui entraîne un déséquilibre important entre l'exploitation et l'utilisation des ressources en terres rares en Chine. Les terres rares légères présentent de bonnes performances catalytiques et une bonne efficacité dans les réactions chimiques grâce à leur structure unique en couches électroniques 4f. Par conséquent, l'utilisation de terres rares légères comme matériau catalytique constitue une solution efficace pour une exploitation optimale des ressources en terres rares. Un catalyseur est une substance capable d'accélérer une réaction chimique et qui n'est pas consommée avant ni après la réaction. Le renforcement de la recherche fondamentale sur la catalyse des terres rares peut non seulement améliorer l’efficacité de la production, mais également économiser les ressources et l’énergie et réduire la pollution de l’environnement, ce qui est conforme à l’orientation stratégique du développement durable.
Pourquoi les éléments des terres rares ont-ils une activité catalytique ?
Les terres rares possèdent une structure électronique externe particulière (4f), qui agit comme l'atome central du complexe et présente différents nombres de coordination allant de 6 à 12. La variabilité de ce nombre de coordination détermine leur « valence résiduelle ». 4f possédant sept orbitales électroniques de valence de secours avec capacité de liaison, il joue un rôle de « liaison chimique de secours » ou « valence résiduelle ». Cette capacité est nécessaire à un catalyseur formel. Par conséquent, les terres rares ont non seulement une activité catalytique, mais peuvent également être utilisées comme additifs ou cocatalyseurs pour améliorer les performances catalytiques des catalyseurs, notamment leurs propriétés anti-vieillissement et anti-empoisonnement.
À l’heure actuelle, le rôle du nano-oxyde de cérium et du nano-oxyde de lanthane dans le traitement des gaz d’échappement des automobiles est devenu un nouvel objectif.
Les principaux composants nocifs des gaz d'échappement automobiles sont le CO, les HC et les NOx. La terre rare utilisée dans le catalyseur de purification des gaz d'échappement automobiles est un mélange d'oxyde de cérium, d'oxyde de praséodyme et d'oxyde de lanthane. Ce catalyseur est composé d'oxydes complexes de terres rares, de cobalt, de manganèse et de plomb. Il s'agit d'un catalyseur ternaire de type pérovskite et spinelle, dont l'oxyde de cérium est le composant clé. Grâce à ses propriétés redox, la composition des gaz d'échappement peut être efficacement contrôlée.
Le catalyseur de purification des gaz d'échappement automobile est principalement composé d'un support céramique (ou métallique) en nid d'abeille et d'un revêtement activé en surface. Ce revêtement activé est composé de γ-Al₂O₃ de grande surface, d'une quantité adéquate d'oxyde pour stabiliser la surface et d'un métal catalytiquement actif dispersé dans le revêtement. Afin de réduire la consommation de pt et de RH coûteux, d'augmenter la consommation de palladium (Pd), moins cher, et de réduire le coût du catalyseur, une certaine quantité de CeO₂ et de La₂O₃ est généralement ajoutée au revêtement d'activation du catalyseur ternaire Pt-Pd-Rh, couramment utilisé, pour former un catalyseur ternaire à base de métaux précieux et de terres rares, offrant un excellent effet catalytique. La₂O₃ (UG-La01) et CeO₃ ont été utilisés comme promoteurs pour améliorer les performances des catalyseurs à base de métaux nobles supportés par γ-Al₂O₃. Selon les recherches, CeO₂, le principal mécanisme d'action de La₂O₃ dans les catalyseurs à base de métaux nobles est le suivant :
1. Améliorer l'activité catalytique du revêtement actif en ajoutant du CeO2 afin de maintenir la dispersion des particules de métaux précieux dans le revêtement actif, et ainsi éviter la réduction des points de réseau catalytique et la dégradation de l'activité due au frittage. L'ajout de CeO2(UG-CeO1) au Pt/γ-Al2O3 permet de disperser le γ-Al2O3 en une seule couche (la quantité maximale de dispersion monocouche est de 0,035 g CeO2/g γ-Al2O3), ce qui modifie les propriétés de surface du γ-Al2O3 et améliore le degré de dispersion du Pt. Lorsque la teneur en CeO2 est égale ou proche du seuil de dispersion, le degré de dispersion du Pt est maximal. Le seuil de dispersion du CeO2 est le dosage optimal de CeO2. Dans une atmosphère d'oxydation supérieure à 600 °C, le Rh perd son activation en raison de la formation d'une solution solide entre le Rh2O3 et l'Al2O3. La présence de CeO2 affaiblit la réaction entre Rh et Al2O3 et maintient l'activation de Rh. Le La2O3(UG-La01) peut également empêcher la croissance de particules ultrafines de Pt. L'ajout de CeO2 et de La2O3(UG-La01) à Pd/γ2al2o3 a permis de constater que l'ajout de CeO2 favorisait la dispersion du Pd sur le support et produisait une réduction synergique. La forte dispersion du Pd et son interaction avec CeO2 sur Pd/γ2Al2O3 sont la clé de la forte activité du catalyseur.
2. Rapport air/carburant auto-ajustable (aπ f) : Lorsque la température de démarrage du véhicule augmente, ou lorsque le mode de conduite et la vitesse changent, le débit d'échappement et la composition des gaz d'échappement changent, ce qui modifie constamment les conditions de fonctionnement du catalyseur de purification des gaz d'échappement et affecte ses performances catalytiques. Il est nécessaire d'ajuster le rapport air/carburant π à un rapport stœchiométrique de 1415~1416, afin que le catalyseur puisse pleinement jouer son rôle de purification. Le CeO2 est un oxyde à valence variable (Ce4 + ΠCe3+), qui possède les propriétés d'un semi-conducteur de type N et une excellente capacité de stockage et de libération d'oxygène. Lorsque le rapport A π F varie, le CeO2 peut jouer un rôle important dans l'ajustement dynamique du rapport air/carburant. En effet, l'O2 est libéré en cas d'excès de carburant pour favoriser l'oxydation du CO et des hydrocarbures ; en cas d'excès d'air, le CeO2-x joue un rôle réducteur et réagit avec les NOx pour éliminer les NOx des gaz d'échappement et obtenir du CeO2.
3. Effet du cocatalyseur Lorsque le mélange de aπ f est dans le rapport stœchiométrique, outre la réaction d'oxydation de H2, CO, HC et la réaction de réduction de NOx, CeO2 comme cocatalyseur peut également accélérer la migration du gaz à l'eau et la réaction de reformage à la vapeur et réduire la teneur en CO et HC. La2O3 peut améliorer le taux de conversion dans la réaction de migration du gaz à l'eau et la réaction de reformage à la vapeur des hydrocarbures. L'hydrogène généré est bénéfique pour la réduction des NOx. En ajoutant La2O3 à Pd/CeO2 -γ-Al2O3 pour la décomposition du méthanol, il a été constaté que l'ajout de La2O3 inhibait la formation de sous-produit diméthyléther et améliorait l'activité catalytique du catalyseur. Lorsque la teneur en La2O3 est de 10 %, le catalyseur a une bonne activité et la conversion du méthanol atteint son maximum (environ 91,4 %). Cela montre que La2O3 a une bonne dispersion sur le support γ-Al2O3. De plus, il a favorisé la dispersion de CeO2 sur le support γ2Al2O3 et la réduction de l'oxygène en vrac, a encore amélioré la dispersion de Pd et a encore renforcé l'interaction entre Pd et CeO2, améliorant ainsi l'activité catalytique du catalyseur pour la décomposition du méthanol.
Conformément aux caractéristiques actuelles de protection de l'environnement et au processus d'utilisation des nouvelles énergies, la Chine devrait développer des matériaux catalytiques à base de terres rares de haute performance avec des droits de propriété intellectuelle indépendants, parvenir à une utilisation efficace des ressources en terres rares, promouvoir l'innovation technologique des matériaux catalytiques à base de terres rares et réaliser un développement rapide des pôles industriels de haute technologie connexes tels que les terres rares, l'environnement et les nouvelles énergies.
À l'heure actuelle, les produits fournis par la société comprennent la nano zircone, la nano titane, la nano alumine, l'hydroxyde d'aluminium, le nano oxyde de zinc, le nano oxyde de silicium, le nano oxyde de magnésium, le nano hydroxyde de magnésium, le nano oxyde de cuivre, le nano oxyde d'yttrium, le nano oxyde de cérium, le nano oxyde de lanthane, le nano trioxyde de tungstène, le nano oxyde ferroferrique, l'agent antibactérien nano et le graphène. La qualité du produit est stable et il a été acheté par lots par des entreprises multinationales.
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Date de publication : 04/07/2022