节能减排柴油机尾气co处理(附件)【字数：16894】
随着汽车产业的飞速发展，尾气排放已经变成了不容小觑的环境污染问题。柴油机的尾气中包含了许多对生物有害的气体和物质，其中CO的排放造成了严重的大气污染，它在可燃气体中普遍存在并且是任何不完全燃烧中都伴随产生的有毒气体，是大气污染中具有代表性的有害气体，对环境、动植物生长及人体健康均会造成巨大危害，其净化治理已成为当前世界环保领域的研究热点。排放的尾气治理方式最有效且必不可少的是高效催化剂的开发和研制。而CO的催化净化处理，最重要的步骤就是找寻到性能优良的催化剂，将CO通过氧化反应，转化为CO2。本文分别对不同金属材料催化剂下的CO氧化反应作了系统的实验，运用了Materials Studio软件进行模拟实验。实验过程中软件采用了第一性原理的密度泛函理论，通过分析氧化反应中间产物的吸附能，分析反应过程中发生的能量变化和d带中心模型。通过研究吸附能与反应能垒的关系，d带中心与反应能垒的关系，反应能垒对催化反应的影响，分析对比了Pt，Au和Pd三种金属之间的催化特性，并且我们对比了同种金属催化剂不同晶面的催化活性，最后分析讨论得出结论。我们发现金属Pt(1 1 1)催化剂吸附能不太强或太弱，对于催化氧化的反应要求很符合，并且金属Pt具有着较低的反应能垒，说明了其只需要提供较低的能量，就能促使氧化反应的进行。并且通过实验计算数据的对比，我们得出了金属催化剂Pd催化氧化也较为理想，Au的催化活性相比之下较弱的结论。对于同种金属，111晶面的催化活性高于100的晶面活性。关键词 CO排放；氧化反应；催化剂；第一性原理
目录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 柴油机结构及工作原理 1
1.3 柴油机燃烧和排放 1
1.3.1 柴油机燃烧过程 1
1.3.2 柴油机排放尾气组成 2
1.3.3 一氧化碳对环境的影响 2
1.4 CO的处理方法 3
1.4.1 在低温下Pt族金属催化剂上CO氧化的最新进展 3
1.4.2 在负载的铂族金属(PGM)基纳米合金上的CO氧化 6
1.4.3 国内外研究现状 8
第二章 建模与分析方法 9
2.1 第一性原理 9
2.2 Ma *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
terials Studio软件简介 10
2.3 Materials Studio基本操作 10
2.4 Materials Studio建模操作 10
2.5 数据处理的方法 16
2.5.1 记录总能 16
2.5.2 反应过程中中间产物的吸附以及吸附能的计算 17
2.5.3 反应过程中过渡态反应能和反应能垒的计算 17
第三章 催化氧化及能量分析 18
3.1 反应能与反应能垒 18
3.2 吸热与放热反应 18
3.3 反应过程中中间产物的吸附以及吸附能的计算 19
3.3.1 O2分子吸附能量反应 19
3.3.2 O原子吸附能量反应 20
3.3.3 CO分子吸附能量反应 23
3.4 O2的解离反应 25
3.5 CO2的形成反应 27
3.6 吸附能与反应能垒关系 29
3.7 d带中心与反应能垒的关系 30
结 论 34
致 谢 36
参考文献 37
第一章 绪论
1.1 研究背景
随着中国的快速发展，全球汽车数量的保有量的增加，全球范围内的环境问题日益加剧，汽车尾气中含有很多人体有害的气体和物质，环境问题逐渐得到公众的重视，尤其是大气污染愈演愈恶劣，成为全世界人民的焦点，各国政府纷纷针对尾气的排放制定了不同的排放法律法规。
目前在中国的各大城市中，大气污染中最只要的来源之一就是汽车尾气排放，排放的CO和HC超过70%。在造成大气污染的有害气体中，CO是可燃气体中普遍存在的，是任何不完全燃烧中都会伴随产生的一种有毒气体，对人类健康和环境都有着显著的危害，是大气污染中具有代表性的有害气体，因此CO的尾气治理已经成为目前全世界环保领域的关注重点。CO在工业领域，交通领域，军事等领域都是治理的重点，尤其需要慎重的解决，这影响到了人们的生存质量。尽管CO的处理净化已经被研究很多年，但是依然存在很多无法克服的问题有待解决。三效催化剂的研究来降低尾气对环境的危害，越加显得重要，而三效催化剂处理的三害物质之一正是CO。CO的净化其中一条重要途径是将CO通过氧化反应转化为CO2，这种氧化反应最关键的地方在于催化剂，合适的催化剂要求催化性能优良，催化活性强，易于将CO氧化成CO2。另外，还要考虑到催化剂的经济性，大多数CO还原催化剂都比较昂贵。目前，随着技术的进步，为研究提供了很多的支持。
最近几年，各种相关软件被开发，计算研究的技术不断提升，在理论上奠定了微观化学的模拟过程的基础。再加上量子化学方法的发展进步，使我们对CO的表面吸附物种、成因、微观机制等加深研究认识，揭示了化学机理。
1.2 柴油机结构及工作原理
柴油机是内燃机的其中一种。柴油发动机的工作原理是将柴油喷射到汽缸内与空气混合，燃烧得到热能转变为机械能，依靠燃料燃烧时的燃气膨胀，从而推动活塞运动，通过曲柄连杆机构使曲柄旋转，从而输出机械功。
1.3柴油机燃烧和排放
1.3.1 柴油机燃烧过程
柴油机压缩比很高，体型比较大，排放废气多，但是相比较汽油机而言，柴油机的效率比汽油机要高，大约2040%。在市场还是受到广泛的关注。柴油机的燃烧是压缩点火，不需要另外引入点火能量，与汽油机有别。
随着技术的进步，各种技术广泛用于柴油机，如涡轮增压技术、燃油高压共轨喷射技术等，更加突出了柴油机的优点，柴油机的市场份额也在提升。但是柴油机的排放控制制约了发展，因为柴油机不能像汽油机一样用三效催化器来控制尾气排放。在改进柴油机的工作性能方面，控制排放也就提高了成本，燃油的经济性也随之降低了，所以研究者必须降低排放，提高经济性，改良柴油机的燃烧状况。
发动机的核心就是燃烧过程，发动机气缸中空气进入并与燃料混合燃烧，燃烧产生化学能，化学能可以转换成热能和动能，发动机做功并对外传递机械能。燃烧过程是复杂的化学反应，随之产生的生成物是柴油机排放的废气的主要来源，因此柴油机燃烧过程被越来越多的科研工作者关注，寻求解决柴油机 NOx与碳烟排放物之间及排放与热效率之间的折衷关系的方法[1,2]。
柴油机的重要燃烧过程可以分成几种情形，柴油机压缩冲程结束后，燃料射入柴油机气缸中，开始燃烧。液体高速通过喷嘴的顶端小孔，油滴以雾状的形态混入燃烧室，并且与室内的高温高压的空气混合。一旦空气的温度和压力超过燃料的燃点，其中已经混好的燃料与空气在经过滞燃期以后同时着火。油气混合物燃烧造成了燃烧室内压力提高，没有燃烧的气体收到压缩使被压缩，缩短了已经在可燃范围里的油气混合物的滞燃期，也减少了剩余液体燃料的蒸发时间。喷油过程将保持到预期的燃油量全进入气缸，全部的燃料都将不断地通过雾化，蒸发，油气混合和燃烧等过程。
目录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 柴油机结构及工作原理 1
1.3 柴油机燃烧和排放 1
1.3.1 柴油机燃烧过程 1
1.3.2 柴油机排放尾气组成 2
1.3.3 一氧化碳对环境的影响 2
1.4 CO的处理方法 3
1.4.1 在低温下Pt族金属催化剂上CO氧化的最新进展 3
1.4.2 在负载的铂族金属(PGM)基纳米合金上的CO氧化 6
1.4.3 国内外研究现状 8
第二章 建模与分析方法 9
2.1 第一性原理 9
2.2 Ma *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
terials Studio软件简介 10
2.3 Materials Studio基本操作 10
2.4 Materials Studio建模操作 10
2.5 数据处理的方法 16
2.5.1 记录总能 16
2.5.2 反应过程中中间产物的吸附以及吸附能的计算 17
2.5.3 反应过程中过渡态反应能和反应能垒的计算 17
第三章 催化氧化及能量分析 18
3.1 反应能与反应能垒 18
3.2 吸热与放热反应 18
3.3 反应过程中中间产物的吸附以及吸附能的计算 19
3.3.1 O2分子吸附能量反应 19
3.3.2 O原子吸附能量反应 20
3.3.3 CO分子吸附能量反应 23
3.4 O2的解离反应 25
3.5 CO2的形成反应 27
3.6 吸附能与反应能垒关系 29
3.7 d带中心与反应能垒的关系 30
结 论 34
致 谢 36
参考文献 37
第一章 绪论
1.1 研究背景
随着中国的快速发展，全球汽车数量的保有量的增加，全球范围内的环境问题日益加剧，汽车尾气中含有很多人体有害的气体和物质，环境问题逐渐得到公众的重视，尤其是大气污染愈演愈恶劣，成为全世界人民的焦点，各国政府纷纷针对尾气的排放制定了不同的排放法律法规。
目前在中国的各大城市中，大气污染中最只要的来源之一就是汽车尾气排放，排放的CO和HC超过70%。在造成大气污染的有害气体中，CO是可燃气体中普遍存在的，是任何不完全燃烧中都会伴随产生的一种有毒气体，对人类健康和环境都有着显著的危害，是大气污染中具有代表性的有害气体，因此CO的尾气治理已经成为目前全世界环保领域的关注重点。CO在工业领域，交通领域，军事等领域都是治理的重点，尤其需要慎重的解决，这影响到了人们的生存质量。尽管CO的处理净化已经被研究很多年，但是依然存在很多无法克服的问题有待解决。三效催化剂的研究来降低尾气对环境的危害，越加显得重要，而三效催化剂处理的三害物质之一正是CO。CO的净化其中一条重要途径是将CO通过氧化反应转化为CO2，这种氧化反应最关键的地方在于催化剂，合适的催化剂要求催化性能优良，催化活性强，易于将CO氧化成CO2。另外，还要考虑到催化剂的经济性，大多数CO还原催化剂都比较昂贵。目前，随着技术的进步，为研究提供了很多的支持。
最近几年，各种相关软件被开发，计算研究的技术不断提升，在理论上奠定了微观化学的模拟过程的基础。再加上量子化学方法的发展进步，使我们对CO的表面吸附物种、成因、微观机制等加深研究认识，揭示了化学机理。
1.2 柴油机结构及工作原理
柴油机是内燃机的其中一种。柴油发动机的工作原理是将柴油喷射到汽缸内与空气混合，燃烧得到热能转变为机械能，依靠燃料燃烧时的燃气膨胀，从而推动活塞运动，通过曲柄连杆机构使曲柄旋转，从而输出机械功。
1.3柴油机燃烧和排放
1.3.1 柴油机燃烧过程
柴油机压缩比很高，体型比较大，排放废气多，但是相比较汽油机而言，柴油机的效率比汽油机要高，大约2040%。在市场还是受到广泛的关注。柴油机的燃烧是压缩点火，不需要另外引入点火能量，与汽油机有别。
随着技术的进步，各种技术广泛用于柴油机，如涡轮增压技术、燃油高压共轨喷射技术等，更加突出了柴油机的优点，柴油机的市场份额也在提升。但是柴油机的排放控制制约了发展，因为柴油机不能像汽油机一样用三效催化器来控制尾气排放。在改进柴油机的工作性能方面，控制排放也就提高了成本，燃油的经济性也随之降低了，所以研究者必须降低排放，提高经济性，改良柴油机的燃烧状况。
发动机的核心就是燃烧过程，发动机气缸中空气进入并与燃料混合燃烧，燃烧产生化学能，化学能可以转换成热能和动能，发动机做功并对外传递机械能。燃烧过程是复杂的化学反应，随之产生的生成物是柴油机排放的废气的主要来源，因此柴油机燃烧过程被越来越多的科研工作者关注，寻求解决柴油机 NOx与碳烟排放物之间及排放与热效率之间的折衷关系的方法[1,2]。
柴油机的重要燃烧过程可以分成几种情形，柴油机压缩冲程结束后，燃料射入柴油机气缸中，开始燃烧。液体高速通过喷嘴的顶端小孔，油滴以雾状的形态混入燃烧室，并且与室内的高温高压的空气混合。一旦空气的温度和压力超过燃料的燃点，其中已经混好的燃料与空气在经过滞燃期以后同时着火。油气混合物燃烧造成了燃烧室内压力提高，没有燃烧的气体收到压缩使被压缩，缩短了已经在可燃范围里的油气混合物的滞燃期，也减少了剩余液体燃料的蒸发时间。喷油过程将保持到预期的燃油量全进入气缸，全部的燃料都将不断地通过雾化，蒸发，油气混合和燃烧等过程。
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