Preparation of MnOδ Catalysts and Their Catalytic Performance for Combustion of Diesel Exhaust Soot Particles

doi:10.7503/cjcu20230447

Abstract

Abstract:

Based on the excellent redox performance of manganese oxide（MnO _x ） catalysts， a series of layered MnO _δ catalysts were prepared by hydrothermal method in this paper. The physicochemical properties of as-prepared catalysts were characterized by XRD， Raman， SEM， TEM， N₂ adsorption-desorption， H₂-TPR， O₂-TPD and so on. The effects of hydrothermal reaction temperature， calcination temperature， and raw material composition on the crystal structure， morphology， and redox performance of the catalyst were studied. In addition， the as-prepared catalysts were applied in catalytic combustion of diesel exhaust soot particles. The results showed that the MnO _δ -t₁₂ catalyst exhibits the best catalytic activity when the hydrothermal reaction time was 12 h， the calcination temperature was 550 ℃， and the presence of KOH and K₂CO₃ in the raw materials. The corresponding temperature values of T₁₀， T₅₀ and T₉₀ for soot combustion are 274， 321 and 354 ℃， respectively.

Key words: Manganese oxide, Catalyst, Hydrothermal method, Soot particles

CLC Number:

O643.3

TrendMD:

ZHOU Shengran, PENG Chao, GAO Siyu, YU Di, ZHANG Chunlei, WANG Lanyi, FAN Xiaoqiang, YU Xuehua, ZHAO Zhen. Preparation of MnO_δ Catalysts and Their Catalytic Performance for Combustion of Diesel Exhaust Soot Particles[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(2): 20230447.

Figures/Tables 17

Table 1 Expression ways and recipes of raw materials for the preparation of MnO δ catalysts

Catalyst	m_KMnO4/g	m_M^*_n（NO3）2/g	m_K2CO3/g	m_KOH/g	Hydrothermal time/h	Calcination temperature/℃
MnO _δ ⁃t₆	2.37	3.58	0.75	2.50	6	550
MnO _δ ⁃t₁₂	2.37	3.58	0.75	2.50	12	550
MnO _δ ⁃t₁₈	2.37	3.58	0.75	2.50	18	550
MnO _δ ⁃t₂₄	2.37	3.58	0.75	2.50	24	550
MnO _δ ⁃t₄₈	2.37	3.58	0.75	2.50	48	550
MnO _δ ⁃no all	2.37	3.58	0	0	12	550
MnO _δ ⁃only K₂CO₃	2.37	3.58	0.75	0	12	550
MnO _δ ⁃only KOH	2.37	3.58	0	2.50	12	550
MnO _δ ⁃T₄₅₀	2.37	3.58	0.75	2.50	12	450
MnO _δ ⁃T₆₅₀	2.37	3.58	0.75	2.50	12	650
MnO _δ ⁃T₇₅₀	2.37	3.58	0.75	2.50	12	750
NnO _δ ⁃T₈₅₀	2.37	3.58	0.75	2.50	12	850

Table 2 Texture properties of MnO δ catalysts prepared under different experimental conditions

Catalyst	Crystalline phase primary（secondary）	S_BET^a / （m²‧g^-1）	S_meso^b / （m²‧g^-1）	Pore volume ^c /（cm³‧g^-1）	Pore volume ^d /（cm³‧g^-1）	Pore size ^e /nm	Crystalline sizes ^f /nm
MnO _δ ⁃t₆	δ⁃MnO₂	10.9	7.615	0.030	0.028	15.7	9.3
MnO _δ ⁃t₁₂	δ⁃MnO₂	12.4	9.228	0.041	0.040	16.4	9.8
MnO _δ ⁃t₁₈	δ⁃MnO₂	16.7	13.766	0.052	0.050	14.6	10.3
MnO _δ ⁃t₂₄	δ⁃MnO₂	18.6	15.135	0.065	0.064	17.0	11.2
MnO _δ ⁃t₄₈	δ⁃MnO₂	22.7	20.394	0.068	0.067	14.9	13.5
MnO _δ ⁃no all	Mn₂O₃（α⁃MnO₂）	32.6	31.416	0.073	0.073	9.3	25.7
MnO _δ ⁃only K₂CO₃	α⁃MnO₂（Mn₂O₃）	29.9	28.197	0.077	0.078	11.1	17.9
MnO _δ ⁃only KOH	δ⁃MnO₂	13.2	10.210	0.047	0.046	18.0	12.2
MnO _δ ⁃T₄₅₀	δ⁃MnO₂	14.1	11.309	0.050	0.049	17.3	6.9
MnO _δ ⁃T₆₅₀	δ⁃MnO₂（α⁃MnO₂）	6.9	4.009	0.020	0.019	18.9	23.4
MnO _δ ⁃T₇₅₀	δ⁃MnO₂（α⁃MnO₂）	5.9	3.681	0.019	0.018	19.0	24.8
NnO _δ ⁃T₈₅₀	δ⁃MnO₂（α⁃MnO₂）	5.1	3.059	0.015	0.014	18.9	33.9

Table 3 Catalytic activities for soot combustion of MnO δ catalysts prepared under different experimental conditions

Catalyst	Contact mode	T₁₀/℃	T₅₀/℃	T₉₀/℃	ΔT₁₀^a /℃	ΔT₅₀^b /℃	ΔT₉₀^c /℃	$S C O 2 m$ （%）
Pure soot	Loose	461	552	594				38.5
MnO _δ ⁃t₆	Loose	287	325	359	174	227	235	97.6
MnO _δ ⁃t₁₂	Loose	274	321	354	187	231	240	97.5
MnO _δ ⁃t₁₈	Loose	289	332	366	172	220	228	98.3
MnO _δ ⁃t₂₄	Loose	290	334	370	171	218	224	98.2
MnO _δ ⁃t₄₈	Loose	289	334	366	172	218	228	98.1
MnO _δ ⁃no all	Loose	293	352	389	168	200	205	99.4
MnO _δ ⁃only K₂CO₃	Loose	285	342	379	176	210	215	99.4
MnO _δ ⁃only KOH	Loose	288	331	366	173	221	228	97.1
MnO _δ ⁃T₄₅₀	Loose	272	323	357	189	229	237	96.5
MnO _δ ⁃T₆₅₀	Loose	286	337	372	175	215	221	97.2
MnO _δ ⁃T₇₅₀	Loose	288	337	373	173	215	222	97.7
NnO _δ ⁃T₈₅₀	Loose	291	341	374	170	211	220	97.7

Table 3 Catalytic activities for soot combustion of MnO δ catalysts prepared under different experimental conditions

Catalyst	Contact mode	T₁₀/℃	T₅₀/℃	T₉₀/℃	ΔT₁₀^a /℃	ΔT₅₀^b /℃	ΔT₉₀^c /℃	$S C O 2 m$ （%）
Pure soot	Loose	461	552	594				38.5
MnO _δ ⁃t₆	Loose	287	325	359	174	227	235	97.6
MnO _δ ⁃t₁₂	Loose	274	321	354	187	231	240	97.5
MnO _δ ⁃t₁₈	Loose	289	332	366	172	220	228	98.3
MnO _δ ⁃t₂₄	Loose	290	334	370	171	218	224	98.2
MnO _δ ⁃t₄₈	Loose	289	334	366	172	218	228	98.1
MnO _δ ⁃no all	Loose	293	352	389	168	200	205	99.4
MnO _δ ⁃only K₂CO₃	Loose	285	342	379	176	210	215	99.4
MnO _δ ⁃only KOH	Loose	288	331	366	173	221	228	97.1
MnO _δ ⁃T₄₅₀	Loose	272	323	357	189	229	237	96.5
MnO _δ ⁃T₆₅₀	Loose	286	337	372	175	215	221	97.2
MnO _δ ⁃T₇₅₀	Loose	288	337	373	173	215	222	97.7
NnO _δ ⁃T₈₅₀	Loose	291	341	374	170	211	220	97.7

Table 4 Catalytic activities of as-prepared catalysts and reported catalysts for soot combustion under loose contact conditions*

Catalyst	Reaction condition	m_Soot/m_Catalyst	T₁₀/T_i /（℃）	T₅₀/T_m/（℃）	T₉₀/T_f/（℃）	Ref.
CsMnO _x /3DOM⁃m TSO⁃0.7	0.2%NO+10%O₂， Ar balance	1∶10	284	341	376	［38］
PtPd/3DOM TiO₂	0.2%NO+5%O₂， Ar balance	1∶10	262	338	386	［39］
K⁃OMS⁃2/3DOMm Ti_0.7Si_0.3O	0.2%NO+5%O₂， Ar balance	1∶10	273	330	385	［40］
3DOM Mn_0.5Ce_0.5O _δ	0.2%NO+10%O₂， Ar balance	1∶10	297	358	396	［41］
CeO₂@MnO₂	500 ppm NO+5%O₂， N₂ balance	1∶9	312	373	423	［42］
MnO _x ⁃CeO₂⁃Al₂O₃	1000 ppm NO+10%O₂， N₂ balance	1∶10		455		［43］
La_0.9Ce_0.05K_0.05CoO₃	0.2%NO+10%O₂， Ar balance	1∶10	269	309	342	［44］
Mn_0.09Ce_0.91O₂	0.05%NO+5%O₂， N₂ balance	1∶10		481		［45］
MnCe⁃1∶4	2000 ppm NO+10%O₂， Ar balance	1∶10	289	340	373	［46］
MnO _δ ⁃t₁₂	2000 ppm NO+10%O₂， Ar balance	1∶10	274	321	354	This work

Table 5 Stability of MnO δ ⁃t12 catalyst for soot combustion

Cycle times	T₁₀/℃	T₅₀/℃	T₉₀/℃	$S C O 2 m$ （%）
Cycle⁃1	274	321	354	97.5
Cycle⁃2	284	328	357	97.5
Cycle⁃3	286	328	358	97.6
Cycle⁃4	286	331	361	97.1
Cycle⁃5	286	332	362	97.6

Table 5 Stability of MnO δ ⁃t12 catalyst for soot combustion

Cycle times	T₁₀/℃	T₅₀/℃	T₉₀/℃	$S C O 2 m$ （%）
Cycle⁃1	274	321	354	97.5
Cycle⁃2	284	328	357	97.5
Cycle⁃3	286	328	358	97.6
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