v. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
4.1.4. Đặc tính cấu trúc và hình thái bề mặt của lõi sử dụng xúc tác CuO-MnO
8 9 Tỷ lệ khối lượng Pt/Rh 10 11 Lượng -Al2O3 sử dụng 12 Lượng ZrO2 sử dụng
Sau khi nhúng phủ, để kiểm tra chất lượng quá trình phủ, cần phải phân tích về cấu trúc và hình thái bề mặt của các lớp vật liệu trong lõi xúc tác. Quá trình phân tích này được NCS thực hiện trong thời gian học tập tại phòng thí nghiệm vật liệu của giáo sư Ryoichi Ichino, Đại học Nagoya - Nhật Bản (từ tháng 9 đến tháng 11 năm 2018), chi tiết trang thiết bị kiểm tra, phân tích được trình bày trong Phụ lục 4.
4.1.4. Đặc tính cấu trúc và hình thái bề mặt của lõi sử dụng xúc tácCuO-MnO2 CuO-MnO2
4.1.4.1. Xác định diện tích bề mặt bằng phương pháp phân tích bề mặt riêng BET
Bảng 4.3 thể hiện diện tích bề mặt được xác định theo phương pháp phân tích bề mặt riêng BET (Brunauer-Emmett-Teller) của mẫu vật liệu xúc tác và vật liệu nền trên thiết bị ASAP 2010 (phụ lục 4.4). Kết quả cho thấy khi chưa phủ lớp kim loại xúc tác, diện tích bề mặt của lớp vật liệu trung gian là 142 m2g-1, khi phủ thêm vật liệu xúc tác, diện tích bề mặt có xu hướng giảm tuy nhiên mức giảm không nhiều.
Bảng 4.3. Diện tích bề mặt của (CuO)0,3- (MnO2)0,7 phủ trên kim loại nền Al2O3-CeO2-
ZrO2
Mẫu phủ
Al2O3-CeO2-ZrO2/FeCrAl lõi
(CuO)0,3(MnO2)0,7/Al2O3-CeO2-ZrO2/ FeCrAl lõi
4.1.4.2. Đặc tính cấu trúc và hình thái bề mặt của lớp vật liệu trung gian Al2O3-CeO2-ZrO2
a) Đặc tính cấu trúc lớp vật liệu trung gian Al2O3-CeO2-ZrO2
Hình 4.14 chỉ ra kết quả chụp phổ nhiễu xạ XRD (X-Ray Diffraction) của lõi kim loại trước, sau khi xử lý nhiệt và XRD của lớp vật liệu trung gian Al2O3-CeO2-ZrO2 phủ trên lõi kim loại trên thiết bị RIGAKU RINT-2100CMT (phụ lục 4.1). Kết quả cho thấy, những đỉnh thép FeCrAl của lõi kim loại được quan sát tại lõi kim loại trước khi xử lý nhiệt. Sau khi xử lý nhiệt tại 900oC trong không khí sẽ tạo ra lớp ô xít kim loại trên bề mặt lõi, kết quả thể hiện ở những đỉnh -Al2O3 được nhìn thấy (Hình 4.14a-14b). Sau khi lớp vật liệu trung gian Al2O3-CeO2-ZrO2 được phủ lên lõi kim loại, cường độ những đỉnh FeCrAl giảm trong khi những đỉnh -Al2O3, CeO2 và ZrO2 được quan sát khá rõ (Hình 4.14c), điều này chứng tỏ quá trình phủ đã thành công, các hạt kim loại kết tủa bám dính tốt trên lõi kim loại.
Hình 4.14. XRD của (a) kim loại nền- FeCrAl; (b) α-Al2O3 washcoat/lõi kim loại; (c) γ-
Al2O3-CeO2-ZrO2/lõi kim loại
b) Đặc tính hình học lớp phủ Al2O3-CeO2-ZrO2 trên lõi kim loại
Đặc tính cấu trúc bề mặt lớp phủ được quan sát trên kính hiển vi điện tử SEM (Scanning Electron Microscope) Hitachi, SU6600 EVACSEQ (Phụ lục 4.2). Hình 4.15 thể hiện hình ảnh SEM lớp phủ Al2O3-CeO2-ZrO2 trên lõi kim loại, kết quả cho thấy chiều dầy lớp phủ khoảng 25 m, lớp phủ phân bố đều trên bề mặt lỗ trong lõi xúc tác (Hình 4.15a). Kết quả cũng cho thấy các hạt CeO2-ZrO2 cỡ từ vài chục đến vài trăm nm phân bố đều trên hạt -Al2O3 (Hình 4.15b).
Hình 4.15. Ảnh SEM lớp phủ kim loại nền Al2O3-CeO2-ZrO2 trên lõi kim loại (a) mặt cắt ngang lớp phủ; (b) ảnh chụp bề mặt lớp phủ Thành phần Wt % --- O K 30.14 CeM 29.56 ZrL 27.21 AlK 12.17 Tổng 100.00
Hình 4.16. Ảnh EDS phân bố và tỷ lệ kim loại Al, Ce, Zr trên lõi kim loại
Hình 4.16 thể hiện hình ảnh phân tích bề mặt lớp vật liệu trung gian bằng phương pháp phân tích phổ EDS (Energy-dispersive X-ray spectroscopy) trên thiết bị Hitachi SU8230 (phụ lục 4.3). Kết quả cho thấy sự phân bố các nguyên tố Al, Ce, Zr trên bề mặt lớp phủ Al2O3-CeO2-ZrO2 trên lõi kim loại, kết quả cho thấy đỉnh và diện tích đỉnh của kim loại Al nhiều nhất, tiếp đến là đỉnh và diện tích đỉnh của Ce và Zr, điều này phù hợp với tỷ lệ hỗn hợp đã được chuẩn bị ở phần điều chế. Kết quả cũng cho thấy, khi sử dụng phương pháp phủ quay các hạt ô xít kim loại vẫn được giữ lại và phân bố đều trên bề mặt.
4.1.4.3. Đặc tính cấu trúc và đặc tính hình học của lớp vật liệu xúc tác CuO/MnO2 trên lớp vật liệu trung gian Al2O3-CeO2-ZrO2
a) Đặc tính cấu trúc
Hình 4.17 thể hiện đặc tính cấu trúc của lớp vật liệu xúc tác CuO-MnO2 bằng phương pháp XRD trên thiết bị RIGAKU RINT-2100CMT (phụ lục 4.1). Kết quả cho thấy, khi CuO và MnO2 được phủ trên lớp vật liệu trung gian, những đỉnh CuO, MnO2 và -Al2O3 đều xuất hiện trên hình ảnh được quan sát (Hình 4.17a). Khi CuO được hòa trộn với MnO2, ở những tỷ lệ hòa trộn MnO2 nhỏ (Hình 4.17b) những đỉnh
của CuO được quan sát khá rõ, bên cạnh đó những đỉnh nhỏ của MnO2 cũng được quan sát, càng tăng tỷ lệ MnO2 trong hỗn hợp, những đỉnh MnO2 trở lên rõ ràng hơn, bên cạnh đó, khi tăng lượng MnO2 trong hỗn hợp những đỉnh spinel CuxMnyOz được quan sát (Hình 4.17c-d). Đây là cấu trúc tinh thể phức có tác dụng mạnh trong việc khử NOx [76].
Hình 4.17. XRD của a) CuO/Al2O3-CeO2-ZrO2; b)(CuO)0,7(MnO2)0,3/Al2O3-CeO2-ZrO2 c)
(CuO)0,5(MnO2)0,5/Al2O3-CeO2-ZrO2; d) (CuO)0,3(MnO2)0,7/Al2O3-CeO2-ZrO2
e)MnO2/Al2O3-CeO2-ZrO2/lõi kim loại
b) Đặc tính hinh hình học lớp phủ CuO0,3-MnO0,7 trên lớp vật liệu trung gian Al2O3-CeO2-ZrO2
Hình 4.18. Ảnh EDS phân bố Cu và Mn trên mẫu kim loại nền Al2O3-CeO2-ZrO2 (a) mẫu
chụp EDS; (b) Phân bố hạt Cu, (c)Phân bố hạt Mn
Hình 4.18 thể hiện đặc tính hình học lớp phủ vật liệu xúc tác CuO0,3-MnO0,7 bằng phương pháp EDS trên thiết bị Hitachi SU8230 (phụ lục 4.3). Có thể quan sát thấy sự phân bố và kích thước hạt CuO, MnO2 trên bề mặt mẫu có phủ lớp vật liệu trung
gian Al2O3-CeO2-ZrO2. Hình ảnh cho thấy các hạt CuO và MnO2 phân bố đồng đều trên bề mặt mẫu với kích thước hạt có kích thước từ vài chục đến vài trăm nm. Kết quả này khẳng định phương pháp phủ quay nêu trên có thể áp dụng không chỉ cho các dung dịch huyền phù mà còn có thể áp dụng cho dung dịch muối của các kim loại xúc tác. Hình 4.18 cũng cho thấy mật độ hạt MnO2 cao hơn mật độ hạt CuO, kết quả này hoàn toàn phù hợp với tỷ lệ đã pha trộn.
4.1.4.4. Đặc tính cấu trúc lớp xúc tác Pt-Rh trên nền CuO-MnO2 /Al2O3- CeO2-ZrO2
Hình 4.19. XPS của kim loại quý phủ trên lõi kim loại nền (a) Pt 4f và (b) Rh 3d phủ trên
CuO-CeO2- -Al2O3/FeCrAl
Như hình 4.17 cho thấy, những đỉnh Pt-Rh không thể quan sát được bằng phương pháp XRD vì lượng kim loại quý quá nhỏ. Vì vậy cấu trúc lớp xúc tác kim loại quý được quan sát bằng phương pháp phân tích quang phổ XPS (Photoelectron Spectroscopy) trên thiết bị GVL298 (phụ lục 4.5). Hình 4.19 thể hiện phân tích trạng thái hóa học của lớp xúc tác kim loại quý. Với mức năng lượng của Pt 4f là 71,1 và 74,2 eV, với mức năng lượng này có thể gán cho kim loại Pt. Hình 4.19b chỉ ra mức năng lượng của Rh 3p5/2 là 306,0 eV và 308,3 eV, với mức năng lượng này có thể gán cho Rh0 và Rh3+. Kết quả này cũng phù hợp với nghiên cứu của Xiaodong Wu và các cộng sự [83], trạng thái của kim loại quý phụ thuộc vào nhiệt độ nhiệt phân muối, với nhiệt độ nhiệt phân 650oC nêu trên đã quan sát được các ôxit kim loại quý này.
Như vậy có thể thấy BXTct sau quá trình chế tạo đáp ứng các yêu cầu về hình thái cấu trúc và đặc tính bề mặt. Bước tiếp theo cần tiến hành thực nghiệm xác định hiệu quả của BXT đối với các thành phần phát thải.
4.2. Thử nghiệm đánh giá ảnh hưởng của việc trang bị BXT tới các tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của xe
Ngoài vai trò tích cực giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường việc trang bị BXT sẽ làm tăng cản trở trên đường thải do đó sẽ ảnh hưởng tới các tính năng kinh tế kỹ thuật và phát thải của xe Lyberty 150. Để làm sáng tỏ vấn đề này, các thử nghiệm đối chứng được tiến hành trong ba trường hợp như sau:
- Trường hợp 1: Xe nguyên bản (KXT), đường thải không lắp BXT. - Trường hợp 2: Xe được trang bị BXTEMT
- Trường hợp 3: Xe được trang bị BXTct 92
Thử nghiệm được tiến hành theo đặc tính tốc độ tại vị trí bướm ga mở 50%, tốc độ của xe thay đổi từ 30 - 80 km/h, nhiên liệu thử nghiệm RON95. Các thông số đo bao gồm công suất (Ne), suất tiêu hao nhiên liệu (ge), hàm lượng phát thải của xe tại vị trí lấy mẫu ở phía trước BXT. Các kết quả đo được thể hiện trên Bảng 4.4 và Bảng 4.5.
Bảng 4.4. Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của xe trong ba trường hợp thử nghiệm
v (km/h) 30 40 50 60 70 80
Bảng 4.5. Phát thải của xe trong ba trường hợp thử nghiệm
v (km/h) KXT 30 15.664 40 13.623 50 14.972 60 13.819 70 12.832 80 12.459 Đ ộ gi ảm c ôn g su ất ( % ) 0 -0.5 -1 -1.5 -2 -2.5 -3 v (km/h) 30 40 50 60 70 80 (% ) li ệu nh iê n thụ tiê u độ tă ng M ức v (km/h)
Hình 4.20. Độ suy giảm công suất và mức tăng suất tiêu thụ nhiên liệu của xe khi trang bị
BXTEMT và BXTct so với trường hợp nguyên bản
Hình 4.20 thể hiện mức độ suy giảm công suất và mức tăng tiêu thụ nhiên liệu của xe khi trang bị BXTEMT và BXTct so với trường hợp nguyên bản (KXT). Có thể thấy mức độ suy giảm công suất và mức tăng tiêu thụ nhiên liệu tỷ lệ với tốc độ của xe. Xét trung bình trên toàn đặc tính mức suy giảm công suất của xe khi trang bị BXTEMT và BXTct lần lượt là 1,84% và 2,04%. Mức tăng lượng tiêu thụ nhiên liệu là 3,08% (BXTEMT) và 3,63% (BXTct).
Có thể thấy mặc dù có cùng thể tích thông qua (0,17 lít) tuy nhiên mức độ suy giảm công suất và mức tăng tiêu thụ nhiên liệu của xe khi trang bị BXTct cao hơn so với
trường hợp trang bị BXTEMT. Nguyên nhân chính là do BXTct có mật độ lỗ lớn hơn (400 cell/in2 so với 200 cell/in2) nên một mặ t nó làm tăng diện tích bề mặt của lõi xúc tác (mặt tốt), mặt khác nó lại làm tăng ma sát giữa dòng khí thải lưu động qua
qua đó làm tăng tổn thất lưu động qua lõi xúc tác (mặt không tốt). Xét trung bình trên toàn đặc tính so với trường hợp trang bị BXTEMT mức độ suy giảm công suất và mức tăng tiêu thụ nhiên liệu của xe khi trang bị BXTct lần lượt là 0,2% và 0,55%.
4 (% ) CO 3 th ải đổ ip há t 2 1 T ha y 0 Phát thải NOx (% ) th ảiN Ox đổ i p há t T ha y Phát thải HC BXTEMT 30 40 50 60 70 80 v (km/h) v(km/h) 7080
Hình 4.21. Mức độ thay đổi phát thải của xe khi trang bị BXTEMT và BXTct so với trường
hợp nguyên bản
Sự gia tăng cản trở trên đường thải cũng ảnh hưởng khá lớn tới phát thải của xe (Hình 4.21). Xét trung bình trên toàn đặc tính, so với trường hợp xe nguyên bản phát thải của xe khi trang bị BXTEMT và BXTct thay đổi như sau:
- Phát thải CO tăng lần lượt là 2,51% và 2,85% - Phát thải HC tăng lần lượt là 3,47% và 4,02% - Phát thải NOx giảm lần lượt là 3,88% và 4,44%.
Như vậy có thể thấy mức độ thay đổi các thành phần phát thải của xe khi trang bị BXTct cao hơn một chút so với khi trang bị BXTEMT. Xét trung bình trên toàn đặc tính so với trường hợp trang bị BXTEMT, các thành phần phát thải của xe khi trang bị BXTct thay đổi như sau: Phát thải CO và HC tăng lần lượt 0,34% và 0,55%, phát thải NOx giảm 0,56%.
Từ những kết quả nêu trên cho thấy sự tương đồng giữa BXTct và BXTEMT, việc trang bị hai BXT này không làm thay đổi quá nhiều tới các tính năng kinh tế kỹ thuật và phát thải của xe (mức độ thay đổi đều nhỏ hơn 5%).