Ceri là nguyên tố phổ biến nhất trong các nguyên tố đất hiếm. Oxit nano CeO2 có nhiều ứng dụng rộng rãi trong phản ứng nhiên liệu rắn, chất cách điện, các tế bào nhiên liệu, màng quang học, bộ lọc UV, đánh bóng vật liệu, cảm biến khí, chế tạo vật liệu phát quang và các lĩnh vực khác. Gần đây, oxit
nano CeO2 còn được sử dụng như chất oxi hóa hay chất hoạt hóa có khả năng
lưu trữ oxi trong xúc tác ba hướng và là chất xúc tác cho quá trình sản xuất hidro từ các tế bào nhiên liệu [28].Đặc biệt, A. Asati và cộng sự cho thấy hạt
nano CeO2 có một tiềm năng ứng dụng lớn trong lĩnh vực y học, nó đóng vai
trò là chất chống oxi hóa và các tác nhân chống phóng xạ trong điều trị bệnh ung thư [7]. Ngoài ra, CeO2 có thể duy trì khả năng hấp phụ rất tốt ở nhiệt độ
cao đến 800oC trong một số các điều kiện cụ thể và sự có mặt của các ion như
nitrat, clorua, sunfat trong dung dịch nước không có tác động đáng kể đến khả năng hấp phụ của nó [10].
Trong vài năm gần đây, CeO2 và các vật liệu có chứa CeO2 được coi là
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
ứng xúc tác dị thể. CeO2 đóng vai trò như là một chất tăng cường để cải thiện hoạt tính hoặc độ chọn lọc của xúc tác hoặc để tăng cường tính ổn định của xúc tác. Việc ứng dụng CeO2 làm tác nhân chính trong xúc tác ba hướng (Three Way Catalyst – TWC ) đối với vấn đề xử lý khí thải từ các động cơ ô tô cho thấy những triển vọng tốt cả về mặt công nghệ và mặt kinh tế. Điều đó đã kích thích những nỗ lực nghiên cứu của nhiều nhà khoa học và đã có nhiều
công trình nghiên cứu về khả năng ứng dụng của CeO2 trong chuyển hóa SOx
từ quá trình Cracking và các khí thải từ các nhà máy công nghiệp hoặc là việc sử dụng nó làm một số vật liệu xúc tác oxi hóa [33].
Theo những nghiên cứu gần đây khi không có xeri oxit, các oxit kim loại nhóm Platin chỉ thực hiện được một phần chức năng xúc tác của nó. Do tính
dễ lưu trữ và tính dễ dàng nhả oxi (trong quá trình chuyển đổi giữa CeO2 và
Ce2O3), xeri oxit điều tiết áp suất riêng phần của oxi, tạo ra một siêu bão hòa oxi tại vùng lân cận của những nguyên tố hoạt tính xúc tác như Pt, Pd,… và sử dụng oxi này để oxi hóa các cấu tử có trong khí thải.
Hiện nay, xeri oxit thu hút được nhiều sự quan tâm do được sử dụng như bộ lọc than hoạt tính ba chiều (làm giảm khí CO, hidrocacbon, NOx) trong
động cơ ô tô, xe máy. Sở dĩ CeO2 được coi như một bộ lọc hiệu quả là do có
một số đặc tính quan trọng sau:
- Khả năng lưu trữ oxi cao, do dễ dàng thực hiện nhanh chu trình oxi hóa
khử, chuyển hóa giữa hai dạng CeO2 và Ce2O3.
- Có khả năng nâng cao sự phân tán của các kim loại.
- Ổn định nhiệt của thiết bị định vị bằng nhôm oxít.
- Thúc đẩy phản ứng chuyển dịch khí - nước.
- Tương tác trực tiếp với kim loại , thúc đẩy quá trình oxi hóa CO và hydrocacbon.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Trong những đặc trưng kể trên, khả năng lưu trữ oxi là một trong những
đặc trưng nổi trội. Khả năng lưu trữ oxi của CeO2 được sử dụng như là một
thành phần của một số hệ thống chất xúc tác quan trọng trong các ngành công nghệ và công nghiệp hiện nay [29]. Ta có thể thấy rằng bộ lọc than hoạt tính ba chiều thường chuyển hóa đồng thời ba khí thải chính vào ống thải với tỉ lệ xăng gió thấp, giá trị hệ số tỉ lượng (14,6). Trong khi một xe ô tô vận hành tỉ lệ xăng gió có thể dao động lớn quanh giá trị tối ưu kể trên thậm chí với cả bộ điều khiển điện tại chỗ. Vì vậy một trong những mục tiêu chính của bộ lọc than hoạt tính ba chiều là mở rộng cái gọi là “cửa sổ hoạt động”. Phản ứng oxy hóa khử là thước đo tỉ lệ xăng gió, sẽ điều chỉnh sự tiêu thụ quá nhiều oxi, dưới hỗn hợp nhiên liệu khí nghèo và thải ra hỗn hợp nhiên liệu khí giàu [25].
Khi động cơ làm việc trong điều kiện ít nhiên liệu và dư oxi, Ce2O3 sẽ thu hồi lượng oxi thừa trong khí thải và khí NOx dưới tác dụng xúc tác của
các kim loại quý có trong thành phần xúc tác, chuyển NOx thành N2 không
gây độc hại. Trong điều kiện dư nhiên liệu và ít oxi, CeO2 nhả oxi để đốt cháy nhiên liệu làm cho nhiên liệu cháy hoàn toàn hơn, ít tạo thành sản phẩm phụ CO và CHx dư. Khi đó hiệu suất động cơ đạt tối ưu.
Trong thời gian gần đây, khoa học kỹ thuật tiến bộ vượt bậc kéo theo hiệu suất của động cơ tăng lên, nhiệt độ của khí thải có khuynh hướng giảm. Nhu cầu phát triển xúc tác để thu hồi CO, NOx, CHx từ khí thải ở nhiệt độ thấp hơn ngày càng tăng lên. Oxit xeri được sử dụng rộng rãi như xúc tác hoặc chất trợ xúc tác để thực hiện các phản ứng như phản ứng đehiđro hóa, hiđro hóa, sunfo hóa, đồng phân hóa, cracking…
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Chƣơng 2
CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM