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铈镧铝共生共存复合氧化物：制备工艺与储氧性能的深度剖析

一、绪论

1.1研究背景与意义

随着工业化进程的加速和汽车保有量的持续增长，环境污染问题日益严峻，其中汽车尾气和工业废气排放是主要污染源之一。这些废气中含有大量的一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NOx）等有害气体，对空气质量和人体健康造成了严重威胁。例如，NOx会形成酸雨、光化学烟雾等危害，CO会与血红蛋白结合，降低血液的输氧能力。为了有效减少这些有害气体的排放，催化净化技术成为研究热点，而储氧材料在催化领域中起着举足轻重的作用。

储氧材料能够在富氧和贫氧条件下储存和释放氧，从而调节反应气氛，提高催化剂的活性和稳定性。在汽车尾气净化的三元催化剂（TWC）中，储氧材料可以在发动机工况变化导致尾气中氧含量波动时，维持合适的氧浓度，确保CO、HC和NOx等有害气体能够同时被有效去除。目前，铈基材料因其独特的储氧性能成为最常用的储氧材料之一。然而，纯CeO?在高温下容易烧结，导致比表面积减小和储氧能力下降，限制了其在实际应用中的性能。为了克服这些问题，研究人员通过掺杂其他元素或与其他氧化物复合等方法来改进铈基材料的性能。

铈镧铝共生共存复合氧化物作为一种新型储氧材料，结合了铈、镧、铝三种元素的优势。镧的加入可以提高材料的热稳定性，抑制铈基材料在高温下的烧结；铝的引入则可能改变材料的结构和表面性质，进一步优化储氧性能。此外，共生共存效应可能使各物相之间产生强相互作用，协同提升材料的整体性能。研究这种复合氧化物的制备及其储氧性能，不仅有助于深入理解多组分氧化物之间的相互作用机制，还能为开发高性能的储氧材料提供理论依据和技术支持，对推动催化净化技术在环保领域的应用具有重要的现实意义。

1.2铈基储氧材料概述

1.2.1氧化铈储氧原理

氧化铈（CeO?）是一种具有萤石结构的氧化物，其储氧功能基于铈元素在+3价（Ce3?）和+4价（Ce??）之间的可逆转变。在富氧环境中，Ce3?可以被氧化为Ce??，同时储存氧原子，反应式为：2Ce?O?+O?→4CeO?；而在贫氧环境下，Ce??又能被还原为Ce3?，释放出储存的氧，反应式为：4CeO?→2Ce?O?+O?。这种可逆的氧化还原过程使得氧化铈能够在不同氧浓度条件下调节体系中的氧含量。

在汽车尾气净化过程中，当发动机处于富燃状态时，尾气中氧含量较低，此时氧化铈释放储存的氧，将CO氧化为CO?，将HC氧化为CO?和H?O，同时促进NOx的还原；当发动机处于贫燃状态时，尾气中氧含量过剩，氧化铈则吸收多余的氧进行储存。通过这种方式，氧化铈有效提升了三元催化剂对汽车尾气中有害气体的净化效率，确保了催化剂在不同工况下都能保持较高的活性。

1.2.2铈基储氧材料研究现状

纯CeO?虽然具有一定的储氧能力，但存在一些明显的不足。在高温条件下，CeO?的晶粒容易长大，比表面积急剧减小，导致储氧能力大幅下降。为了改善这些问题，研究人员开展了大量工作，主要集中在通过掺杂其他元素或与其他氧化物复合等方式来提升铈基储氧材料的性能。

在掺杂方面，研究较多的是稀土元素（如La、Y等）、过渡金属元素（如Zr、Mn、Fe等）以及碱土金属元素（如Ca、Sr等）的掺杂。稀土元素La的掺杂可以增强CeO?的热稳定性，抑制其高温烧结，同时可能通过改变晶格结构和氧空位浓度来提高储氧性能。过渡金属Zr的掺杂能够形成Ce-Zr固溶体，显著改善CeO?的热稳定性和储氧能力，因为Zr的离子半径与Ce相近，在形成固溶体时可以产生晶格畸变，增加氧空位浓度，促进氧的迁移和储存。

在复合方面，CeO?与γ-Al?O?的复合备受关注。通过特定的制备方法，使CeO?与γ-Al?O?形成共生共存的体系，两者之间会发生强相互作用，相互调变彼此的存在状态和微观结构，抑制两物相晶粒的长大，从而提高γ-Al?O?的高温水热老化稳定性，并使复合体系的储氧能力比单相的纳米CeO?提高2-3倍。

尽管在铈基储氧材料的研究上取得了一定进展，但仍面临一些挑战，如如何进一步优化掺杂元素的种类和含量、探索更有效的复合方式，以实现储氧性能的最大化提升，以及深入理解多组分体系中各元素之间的协同作用机制等，这些都是当前研究的重点和方向。

1.3共生共存效应及第三组分掺杂影响

1.3.1共生共存效应介绍

共生共存效应是指在复合氧化物体系中，不同物相之间存在强相互作用，这种相互作用对复合氧化物的结构和性能产生显著影响。以CeO?和γ-Al?O?的共生共存体系为例，在合成过程中，CeO?和γ-Al?O?氧化物微晶之间会发生强相互作用，相互调变彼此的存在状态和微观结构。这种相互作用抑制了两